Как животные подготовились к жизни на суше до того, как покинули воду (и почему они этого не планировали)

Переход животных из водной среды обитания на сушу — один из самых значимых процессов в истории Земли. Долгое время в эволюционной биологии доминировала теория, согласно которой организмы приобретали специфические анатомические черты, необходимые для жизни на суше, непосредственно в процессе освоения новой среды. Считалось, что изменение физических условий — появление гравитационной нагрузки и переход к дыханию атмосферным воздухом — заставляло строение тела меняться. Однако детальное изучение ископаемых остатков из силурийского периода показывает, что ключевые особенности сухопутных животных сформировались еще в океане.

Палеонтологи из Йельского университета и Университета Западной Виргинии описали новый вид древнего членистоногого, получивший название Waukartus muscularis. Возраст находки составляет от 436 до 437 миллионов лет. Это животное является древним родственником современных многоножек, но обитало оно исключительно в морской среде. Особенности его анатомии доказывают, что предки сухопутных членистоногих обладали ногами, приспособленными для ходьбы по твердой поверхности, за десятки миллионов лет до того, как покинули воду.

Анатомическая проблема строения ног

Базовая анатомическая модель ранних морских обитателей (например, древних ракообразных) подразумевает наличие двуветвистых конечностей. Такая нога состоит из двух частей. Внутренняя ветвь представляет собой плотную, разделенную на суставы конструкцию, которая используется для опоры и перемещения по морскому дну. Внешняя ветвь обычно имеет форму лопасти, часто покрыта щетинками или имеет жаберные структуры. Она служит двум целям: помогает животному плавать и обеспечивает процесс дыхания за счет извлечения кислорода из воды.

Современные сухопутные членистоногие, в первую очередь многоножки и насекомые, имеют одноветвистые конечности. В процессе эволюционного развития у них сохранилась только опорная, шагающая часть ноги. Долгие годы ученые объясняли это прямой адаптацией к наземной среде. Логика заключалась в следующем: когда животные вышли на сушу, внешняя ветвь, предназначенная для плавания и дыхания в воде, высохла и редуцировалась, так как перестала выполнять свои функции на воздухе.

Открытие Waukartus muscularis полностью опровергает эту последовательность. Найденное животное обитало на дне неглубокого морского залива, но его ноги уже были одноветвистыми. Внешняя плавательная и дыхательная ветвь отсутствовала. Конечности состояли как минимум из шести суставов и заканчивались коротким когтем, что указывает на их строгую специализацию — исключительно ходьбу по твердому субстрату.

Уникальная сохранность мягких тканей

Окаменелости Waukartus muscularis были найдены в геологической формации Брэндон-Бридж в штате Висконсин, США. Это место представляет собой так называемый лагерштетт — тип захоронения, где благодаря особым условиям сохраняются не только твердые панцири или кости, но и мягкие ткани организмов. Около 436 миллионов лет назад на этом месте находилась бескислородная морская впадина. Животные, попадавшие туда, не подвергались быстрому бактериальному разложению и не уничтожались падальщиками.

Панцирь (экзоскелет) нового вида был довольно тонким и не содержал твердых минералов. В обычных условиях от такого животного не осталось бы следа. Однако в среде, богатой определенными химическими элементами, запустился процесс фосфатизации. Минерал под названием карбонат-фторапатит заполнил внутренние полости мертвого животного быстрее, чем ткани успели разрушиться. Минерал буквально создал точный трехмерный слепок внутренних органов.

Используя сканирующий электронный микроскоп и рентгеновские спектрометры, ученые смогли изучить окаменелость на клеточном уровне. Внутри минерализованных останков они обнаружили четкие параллельные линии с интервалом около 2,7 микрометра. Эти структуры по размеру и ориентации полностью соответствуют миофибриллам — отдельным мышечным волокнам. Таким образом, палеонтологи получили возможность изучить мышечную систему существа, жившего более четырехсот миллионов лет назад.

Биомеханика и внутреннее строение

Сохранившаяся мускулатура позволила исследователям детально реконструировать механику движений Waukartus muscularis. Тело животного состояло из головы и одиннадцати туловищных сегментов. Вдоль спинной и брюшной части тянулись мощные продольные мышцы. На долю спинных мышц приходилось до 35% от общей высоты туловища. Такое строение говорит о том, что животное обладало высокой гибкостью и могло изгибать тело при движении.

В основаниях ног палеонтологи обнаружили вертикальные и горизонтальные мышечные группы, которые отвечали за подъем конечностей и шагательные движения. Эти мышцы крепились к внутреннему скелету (эндоскелету). У данного вида он состоял не из костной ткани, а из плотного органического материала на основе хитина и белков. На окаменелостях эндоскелет выглядит как система парных колец, расположенных в каждом сегменте тела и соединенных поперечными перекладинами.

Поскольку на ногах животного отсутствовали жабры, исследователям пришлось искать другое объяснение тому, как оно получало кислород. Наиболее вероятный механизм — прямой газообмен через покровы тела. Ученые предполагают, что кутикула на брюшной стороне Waukartus была достаточно тонкой, чтобы кислород из морской воды мог проникать напрямую во внутренние ткани.

Скрытая подготовка к суше

Анатомия Waukartus muscularis наглядно демонстрирует эволюционный механизм преадаптации. Этот процесс означает, что определенный физиологический признак или орган возникает в ходе эволюции для решения одной задачи в конкретной среде обитания, но спустя длительное время оказывается критически важным совершенно в других условиях.

Утрата плавательной ветви конечности произошла в морской среде. Точная причина, по которой предки многоножек отказались от двуветвистых ног, неизвестна. Ученые предполагают, что это могло быть связано с переходом к новому способу передвижения на дне, поиском пищи в узких расщелинах или иными локальными экологическими факторами. Отказ от лишних отростков сделал их ноги более специализированными механизмами для опоры.

В результате, когда миллионы лет спустя потомки этих организмов начали осваивать прибрежные зоны и постепенно выходить на сушу, им не потребовалось эволюционировать с нуля под воздействием гравитации. В их анатомическом арсенале уже присутствовали крепкие, односоставные ноги, способные удерживать вес тела без поддерживающей силы воды.

Филогенетический анализ показывает, что Waukartus muscularis находится в самом основании эволюционного древа многоножек. Он является сестринским таксоном по отношению к первым истинным представителям этой группы. Данное исследование доказывает, что фундаментальные анатомические перестройки, которые сделали возможной жизнь на континентах, формировались в океанских глубинах. Эволюция сухопутных признаков происходила изолированно от самой суши, подчиняясь исключительно внутренним потребностям выживания в морской среде.

Источник: Proceedings of the Royal Society B