Сложность позвоночника млекопитающих связана с высоким метаболизмом: как это эволюционировало

Позвоночник млекопитающих уникален. По сравнению с другими четвероногими, например, рептилиями, он представляет собой сложную мозаику из отделов с разной формой позвонков. Эта "сборная" структура — ключевой компонент, позволивший млекопитающим развить множество способов движения (бег гепарда, ходьба человека, полет летучей мыши, плавание кита). Новое исследование в Nature Communications детально изучает, как позвоночник млекопитающих стал таким сложным. Ученые выяснили, что этот процесс был отмечен крупными, драматическими эволюционными скачками, и связан с высокой активностью и метаболизмом млекопитающих.

«Мы показываем, что рост сложности происходил дискретными шагами, как перекладины на лестнице, а не плавно, как пандус. Адаптации к высокому уровню активности, по-видимому, запускали эти скачки в сложности, и они продолжают влиять на эволюцию сегодня», — говорит Катрина Джонс, ведущий автор статьи, палеонтолог из Музея сравнительной зоологии Гарварда.

«Похоже, это не просто постепенное накопление мелких изменений, а более дискретные скачки. И один из этих больших скачков может быть связан с изменениями в способности млекопитающих двигаться и дышать, которые позволяют нам быть такими активными», — добавляет Кен Ангьельчик, палеонтолог из Филдовского музея.

Как это изучали:

Исследователи (Джонс, Ангьельчик и Стефани Пирс) проанализировали окаменелости позвоночников синапсид — предков млекопитающих, живших 300–200 млн лет назад. Точные измерения костей и компьютерное моделирование показали, что изменения, вероятно, происходили сравнительно быстрыми «рывками» (хотя в эволюционном масштабе эти скачки занимали миллионы лет).

Почему сложность росла:

Исследователи связывают усложнение позвоночника с адаптацией к более высокому уровню активности и метаболизма.

• У современных млекопитающих самый сложный позвоночник обычно связан с самым высоким уровнем активности.
• Скачки в сложности позвоночника совпали по времени с появлением других черт активного образа жизни, таких как мех или специализированные дыхательные мышцы.
• Высокий метаболизм требует больше кислорода и пищи, а сложный позвоночник, видимо, стал частью комплекса адаптаций для эффективного движения и дыхания.

«Уникальность позвоночника млекопитающих признавалась давно, и наши результаты показывают сильную связь между его эволюцией и эволюцией мягких тканей мышечной и дыхательной систем», — отмечает Ангьельчик.

Значение исследования:

Изучение ископаемых предков помогает понять историю развития многих необычных черт современных млекопитающих, включая человека. Это исследование — пример того, как дискретные изменения, накапливаясь тысячелетиями, создают долгосрочные эволюционные тренды и приводят к росту биологической сложности.