Ископаемый мозг возрастом 80 млн лет показал: ранние змеи параллельно осваивали жизнь под землей, на суше и в море

Происхождение змей — достаточно сложная и обсуждаемая тема в эволюционной биологии позвоночных животных. Переход от четырехопорных ящериц к удлиненному телу без конечностей потребовал радикальной перестройки скелета, мускулатуры, нервной системы и органов чувств. Однако ученые долгое время не могли прийти к единому выводу о том, в какой именно среде обитания происходили эти изменения.

На протяжении десятилетий палеонтологи выдвигали три основные гипотезы. Согласно первой, змеи произошли от морских рептилий, близких к мозазаврам. Вторая гипотеза утверждала, что предки змей вели подземный, роющий образ жизни, в результате чего потеряли зрение и конечности. Третья гипотеза связывала происхождение змей с наземными бегающими или лазающими ящерицами.

Главным ограничением всех трех гипотез было представление о том, что ранняя эволюция змей шла по единой прямой линии: одна древняя группа постепенно адаптировалась к конкретным условиям и затем дала начало всем современным видам. Новое исследование ископаемой рептилии возрастом около 80 миллионов лет, опубликованное в журнале Nature, показывает, что эволюционный процесс был устроена иначе.

Находка в песчаниках Бразилии

В позднемеловых отложениях формации Адамантина в штате Сан-Паулу на юго-востоке Бразилии палеонтологи обнаружили окаменелые остатки древней рептилии. Новый вымерший вид получил название Tametara mirim. Название составлено из слов языка индейцев тупи-гуарани: «таметара» означает «украшенная» (указывая на выраженный костный гребень на верхней части черепа), а «мирим» — «маленькая».

Ископаемый образец представляет собой сочлененный скелет, включающий 103 позвонка и заднюю половину черепа. Сохраненная длина черепа составляет 17,8 миллиметра, а полная длина головы при жизни животного оценивается примерно в 33 миллиметра. Общая длина тела Tametara mirim составляла около 42 сантиметров. По степени слияния черепных костей и развитию позвонков исследователи установили, что найденная особь была взрослой.

В отличие от большинства других мезозойских змей, скелет Tametara mirim сохранился в трехмерном объеме, а не был раздавлен тяжестью горных пород. Чтобы изучить внутреннее строение окаменелости, не разрушая ее, авторы работы применили метод микрокомпьютерной томографии.

Рентгеновское сканирование с пространственным разрешением от 16 до 34 микрометров позволило разделить костные элементы и внутренние полости. На основе полученных томограмм исследователи построили точную трехмерную модель скелета, черепа и полости головного мозга.

Как ученые исследуют мозг вымерших животных

Мягкие ткани головного мозга и нервов не сохраняются в окаменелостях: они разлагаются в течение нескольких дней или недель после гибели организма. Однако у рептилий головной мозг достаточно плотно прилегает к внутренним стенкам черепной коробки. Кости черепа формируют отпечаток внешней поверхности мозга, его основных отделов, крупных нервов и органов внутреннего уха.

Этот виртуальный отпечаток внутренней полости черепа называют эндокастом. Сканирование полости черепа с помощью компьютерной томографии позволяет восстановить форму и пропорции головного мозга вымершего животного с высокой точностью.

У современных чешуйчатых рептилий (ящериц и змей) форма конечного мозга и органов слуха строго соответствует их образу жизни и способу добычи пищи. Сравнивая цифровые модели полостей черепа вымерших видов с аналогичными данными современных рептилий, палеонтологи могут определять, в какой среде обитало ископаемое животное.

Анатомия нервной системы Tametara mirim

Цифровая реконструкция полости черепа Tametara mirim показала уникальное строение нервной системы, отличающее этот вид как от других древних змей, так и от современных чешуйчатых.

Анатомический анализ выявил следующие ключевые особенности:

1. Обонятельная система и конечный мозг. Обонятельные луковицы у Tametara mirim короткие. Они плавно переходят в полушария конечного мозга без выраженных сужений. Подобная форма характерна для современных рептилий, живущих в толще почвы.
2. Зрительные центры. Средний мозг, в котором расположен зрительный центр (зрительные доли), оказался уплощенным и слабо развитым. Это свидетельствует о том, что зрение не играло ключевой роли в ориентации животного.
3. Внутреннее ухо. Вестибулярный отдел слуховой капсулы у Tametara mirim существенно укрупнен и занимает большую часть внутреннего объема костей уха. В то же время полукружные каналы, отвечающие за восприятие поворотов головы в пространстве, упрощены и уменьшены.

Такая анатомическая структура объясняется физикой работы органов чувств под землей. В плотной почве в условиях полного отсутствия света зрительная информация недоступна, поэтому мозг сокращает затраты ресурсов на обработку визуальных сигналов. При этом почва хорошо проводит механические колебания и низкочастотные вибрации. Укрупненное внутреннее ухо позволяет воспринимать малейшие движения грунта, вызванные перемещением добычи или хищников.

Цифровые измерения и анализ структуры костной ткани

Чтобы исключить субъективность при оценке образа жизни Tametara mirim, исследователи применили два независимых количественных метода: трехмерную геометрическую морфометрию и анализ микроструктуры костей черепа.

Метод 3D-геометрической морфометрии заключается в нанесении анатомических контрольных точек на трехмерные модели мозга. Разработчики сопоставили координаты этих точек у Tametara mirim с аналогичными данными 58 видов современных чешуйчатых и вымерших змей.

Второй метод основан на измерении физических параметров костей черепной крыши (лобных и теменных). Нагрузки, которые испытывает череп при движении под землей, напрямую влияют на структуру костной ткани. Для роющих рептилий характерны три основных показателя:

• Высокая плотность кости (минимальный объем внутренних пор и полостей);
• Увеличенная относительная толщина костей черепного свода;
• Значительное перекрытие костей между собой в местах их соединения, что распределяет механическое давление по всей конструкции черепа.

Ученые измерили плотность, толщину, степень перекрытия и отношение длины костей у 108 видов рептилий.

Статистическая обработка данных показала следующие результаты. В математической модели, оценивающей форму конечного мозга, Tametara mirim попала в группу строго роющих организмов с вероятностью 99,2%. Анализ микроструктуры костей черепа подтвердил этот результат: плотность и толщина костей Tametara mirim полностью соответствуют показателям современных рептилий, прокладывающих ходы в почве.

Почему одно открытие меняет общую картину эволюции

Главная научная ценность Tametara mirim заключается не только в подтверждении ее роющего образа жизни, но и в сопоставлении этих данных с другими вымершими змеями того же периода.

До этого открытия ученым были известны трехмерные черепа лишь нескольких древнейших змей мезозойской эры. Наиболее изученной из них была Dinilysia patagonica, жившая в позднем меловом периоде на территории современной Аргентины.

Томография мозга и анализ костей Dinilysia patagonica показывают противоположные результаты:

• Ее обонятельные луковицы сильно вытянуты;
• Полушария мозга имеют иную геометрию;
• Кости черепа относительно тонкие, с низкой плотностью и минимальным перекрытием.

Математические модели классифицируют Dinilysia patagonica как наземное животное, обитавшее на поверхности почвы, с вероятностью 56,7%.

Кроме того, в мезозое существовала еще одна отдельная группа стволовых змей — симолиофииды (Simoliophiids). Они имели сглаженное тело, сохраняли рудиментарные задние ноги и жили в мелководных морских условиях.

Таким образом, в один и тот же геологический период (поздний мел) на Земле одновременно существовали:

1. Строго подземные роющие змеи (Tametara mirim);
2. Наземные змеи, охотившиеся на поверхности (Dinilysia patagonica);
3. Морские змеи, жившие в воде (Simoliophiids).

Если бы змеи происходили от одного роющего предка и затем постепенно выходили на поверхность, все древнейшие ископаемые виды сохраняли бы признаки подземного прошлого. Однако присутствие качественно разных адаптаций у самых ранних представителей группы показывает, что единого экологического сценария не существовало.

Раздельное развитие анатомических систем

Исследование Tametara mirim также проливает свет на механизм, который в биологии называют мозаичной эволюцией. Это процесс, при котором разные органы и системы организма меняются с разной скоростью.

С точки зрения строения скелета Tametara mirim сохраняет много примитивных признаков, сближающих ее с ящерицами. Например, кости затылочной области у нее не срастаются по средней линии, а в задней части челюсти сохраняются анатомические отверстия, утраченные современными змеями.

Однако ее нервная система, форма мозга, улитковый аппарат внутреннего уха и плотность костей черепа уже были полностью адаптированы к специфическим условиям жизни под землей.

Это означает, что при переходе к новым экологическим нишам мягкие ткани, органы чувств и внутреннее строение костей менялись у древних змей быстрее, чем общая конфигурация внешнего скелета черепа.

Итог: новая модель происхождения змей

Открытие Tametara mirim позволяет пересмотреть представления о том, как формировались змеи.

Эволюция этой группы не была линейным процессом. Вместо одного последовательного перехода от ящерицы к подземному животному, а затем к современным наземным и древесным формам, происходила параллельная экологическая радиация.

На ранних этапах своей истории древние змеи быстро освоили самые разные среды обитания. Различные линии независимо друг от друга экспериментировали с подземным, наземным и водным образом жизни. Именно это разнообразие экологических ниш и гибкость анатомической перестройки позволили змеям стать одной из самых успешных и разнообразных групп современных наземных позвоночных.

Источник: Nature