Многие лягушки выглядят как водяной шар с ногами, но не дайте себя одурачить. Под гладкой кожей у некоторых видов есть шипы, шипы и другие секреты скелета.
В то время как большинство лягушек имеют простую форму черепа с гладкой поверхностью, другие развили более причудливые черты, такие как искусственные клыки, сложные гребни, шлемоподобные укрепления и шипы, доставляющие яд. Новое исследование является первым, в котором внимательно изучается эволюция и функции этих бронированных черепов лягушек.
Исследователи Флоридского музея естественной истории использовали трехмерные данные для изучения формы черепа у 158 видов, представляющих все современные семейства лягушек. Черепа радикальной формы часто были покрыты замысловатыми узорами борозд, гребней и ямок, образованных дополнительными слоями кости. Исследовательская группа обнаружила, что эта черта, известная как гипероссификация, развивалась у лягушек более 25 раз. Виды с одинаковыми пищевыми привычками или защитой, как правило, развивали черепа одинаковой формы и рисунка, даже если они были разделены миллионами лет эволюции..
«На первый взгляд лягушки могут выглядеть одинаково, но когда вы смотрите на их черепа, вы видите существенные различия», - сказал Даниэль Палух, ведущий автор исследования и докторант Университета Флориды. «Некоторые из самых странных черепов найдены у лягушек, которые едят птиц и млекопитающих, используют голову в качестве щита или, в некоторых редких случаях, являются ядовитыми. Их черепа показывают, какими странными и разнообразными могут быть лягушки».
Последнее всестороннее исследование черепов лягушек было опубликовано в 1973 году. С тех пор ученые удвоили количество описанных видов лягушек, обновили наше понимание их эволюционных взаимоотношений и разработали новые аналитические методы с помощью компьютерной томографии.
Это позволило Палуху использовать 36 ориентиров на черепах лягушек, отсканированных и оцифрованных в рамках проекта oVert, финансируемого Национальным научным фондом, для анализа и сравнения форм на древе жизни лягушек.
«До того, как у нас появились методы оцифровки образцов, единственным способом количественной оценки формы было проведение линейных измерений каждого черепа», - сказал он.
Мало того, что гипероссификация и причудливые формы черепа имеют тенденцию появляться вместе, обнаружил Палух, они часто связаны с лягушками, которые либо едят очень крупную добычу, либо используют голову для защиты.
Лягушки, питающиеся другими позвоночными - птицами, рептилиями, другими лягушками и мышами - часто имеют гигантские вместительные черепа с челюстным суставом возле спины. По словам Палуха, это дает им больше возможностей для захвата добычи, ссылаясь на лягушек Pacman в качестве одного из примеров. Его анализ показал, что черепа этих видов испещрены крошечными ямками, которые могут обеспечить дополнительную прочность и силу укуса.
Почти у всех лягушек отсутствуют зубы на нижней челюсти, но у некоторых, таких как лягушки Бюджетта, развились нижние клыкообразные структуры, которые позволяют им наносить колющие раны своей добыче. Один вид, сумчатая лягушка Гюнтера, имеет настоящие зубы на обеих челюстях и может съесть добычу более чем на половину длины своего тела.
Другие лягушки используют свои головы, чтобы закрыть вход в свои норы для защиты от хищников. Эти виды, как правило, имеют кавернозные черепа, покрытые небольшими шипами. Недавно было обнаружено, что некоторые из них, такие как лягушка с головой каски Бруно, ядовиты. Когда хищник протыкает голову одной из этих лягушек, специальные шипы в качестве защиты протыкают ядовитые железы прямо под кожей.
Хотя исследование показало постоянное совпадение гипероссификации и причудливой формы черепа, исследователи не уверены, что появилось раньше. Начали ли лягушки есть крупную добычу, а затем развили более мясистые черепа или наоборот?
"Это вопрос типа "курица или яйцо"," сказал Палух.
У общего предка нынешних 7 000 видов лягушек не было украшенного черепа. Но сильно укрепленные черепа появляются даже у более древних предков лягушек, говорит Дэвид Блэкберн, куратор герпетологического музея Флориды и соавтор исследования.
«Хотя у предка всех лягушек не было гиперокостеневшего черепа, именно так устроены черепа довольно древних предков амфибий», - сказал он. «Эти лягушки могут использовать древние пути развития для создания признаков, характерных для их предков в глубоком прошлом».
Предыдущие исследования предполагали, что лягушки развили гипероссификацию, чтобы предотвратить потерю воды в засушливой среде, но исследование Палуха показало, что среда обитания и гипероссификация не обязательно связаны. Эта черта проявляется у лягушек, которые живут под землей, на деревьях, в воде и на суше.
Но среда обитания влияет на форму черепа: водные лягушки, как правило, имеют длинные, плоские черепа, в то время как роющие виды часто имеют короткие черепа с заостренной мордой, форма, которая также позволяет им использовать свои рты, как палочки для еды, чтобы ловить маленьких, снующих добычей, такой как муравьи и термиты, сказал Палух. К таким видам относятся мексиканская роющая жаба и австралийская черепаховая лягушка - дальние родственники, обитающие в разных частях света.
Хотя исследование проливает новый свет на форму черепа лягушки, Блэкберн сказал, что мы до сих пор мало знаем об основах биологии лягушек.
«Как ни странно, нам проще создать красивые изображения черепов, чем узнать, что едят эти лягушки», - сказал Блэкберн. «Естественная история остается довольно сложной. То, что мы знаем, что вещи существуют, не означает, что мы что-то знаем о них».
Исследование будет опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.