Прогуливающиеся саламандры проливают свет на эволюцию перехода животных из воды на сушу

Около 390 миллионов лет назад первые позвоночные животные вышли из воды на сушу, что потребовало изменений в их опорно-двигательном аппарате для наземной жизни. Передние и задние конечности первых тетрапод эволюционировали, чтобы выдерживать больший вес. Но какие конкретные механизмы вызвали изменения в функции костей?

Тигровая саламандра может дать некоторые подсказки. Новое исследование команды ученых из Национального института математического и биологического синтеза (NIMBioS) и Университета Клемсона оценивает, какие механизмы движут разнообразием функций костей, давая новое представление об эволюции того, как тетраподы — первые четвероногие позвоночные животные — сделали свои первые шаги по суше.

Чтобы понять биологию вымерших животных, исследователи часто обращаются к живым животным со схожими чертами, которые помогают смоделировать движение вымерших видов. Саламандры — особенно хорошие организмы для изучения эволюции передвижения по суше, так как их анатомия и экология схожи с таковыми у ранних тетрапод.

Кости должны регулярно выдерживать различные силы, или «нагрузки», как от сокращения мышц, так и от взаимодействия с окружающей средой. Кости конечностей, в частности, должны выдерживать одни из самых высоких нагрузок. Ископаемые данные позволяют предположить, что передние и задние конечности могли выполнять разные функции при ходьбе по суше, но конкретные механизмы, способствовавшие этим различиям, менее известны. Исследователи хотели проверить, какие факторы могли способствовать разнообразию в строении скелета в ходе эволюции ранних тетрапод.

Механика нагрузки на кости саламандр была протестирована различными способами, включая съемку их ходьбы по специально построенной платформе, измеряющей силы, действующие на кости конечностей. Было проведено сравнение передних и задних конечностей и анализ суставов конечностей. Математические модели использовались для оценки того, как кости конечностей способны выдерживать физические требования ходьбы по суше.

Для обеспечения чистоты эксперимента из исследования исключались саламандры, которые поворачивались, останавливались, падали на платформу или шли по диагонали.

Исследование показало, что по сравнению с задними конечностями, передние конечности имели более низкие пределы текучести, более высокую механическую твердость и большую способность выдерживать нагрузки, превышающие нормальные.

«Эти результаты предлагают новые перспективы для моделирования того, как тетраподы могли сделать свои первые шаги на суше, учитывая уникальный вклад как передних, так и задних конечностей», — сказала ведущий автор Сэнди Кавано, научный сотрудник NIMBioS.