Млекопитающие уникальны во многих отношениях. Мы теплокровны и подвижны по сравнению с нашими родственниками-рептилиями.
Но новое исследование, финансируемое Национальным научным фондом (NSF) и возглавляемое исследователями из Гарвардского университета Стефани Пирс и Катриной Джонс, предполагает, что мы уникальны еще в одном отношении - в строении наших позвоночников. Исследователи описывают свои выводы в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science.
«Позвоночник в основном похож на серию бусин на нитке, каждая из которых представляет собой одну кость - позвонок», - сказал Пирс, куратор палеонтологии позвоночных в Гарварде. «У большинства четвероногих животных, таких как ящерицы, все позвонки выглядят и функционируют одинаково.
"Но позвоночник млекопитающих отличается. Различные отделы или области позвоночника, такие как шея, грудная клетка и нижняя часть спины, принимают очень разные формы. Они функционируют отдельно и поэтому могут адаптироваться к разным образам жизни, например бегать, летать, копать и карабкаться."
Хотя позвоночник млекопитающих специализирован, области, лежащие в его основе, считались древними, восходящими к самым ранним наземным животным.
Млекопитающие максимально использовали существующие анатомические схемы, по крайней мере, так считали ученые. Однако новое исследование ставит под сомнение эту идею, изучая летопись окаменелостей.
«Сегодня нет живых животных, которые зафиксировали бы переход от «ящероподобного» предка к млекопитающему», - сказал Джонс, ведущий автор исследования.«Чтобы сделать это, мы должны погрузиться в летопись окаменелостей и посмотреть на вымерших предшественников млекопитающих, немлекопитающих синапсид».
Эти древние предки владеют ключом к пониманию происхождения специфических характеристик млекопитающих, включая позвоночник.
Но изучать окаменелости непросто. «Окаменелостей мало, а найти вымерших животных со всеми 25 с лишним позвонками невероятно редко», - сказал Джонс.
Чтобы решить эту проблему, исследователи прочесали музейные коллекции по всему миру, чтобы изучить наиболее хорошо сохранившиеся окаменелости животных, живших около 320 миллионов лет назад.
«Глядя в древнее прошлое, ранние изменения в позвоночнике млекопитающих были важным первым шагом в их эволюции», - сказала Дена Смит, программный директор отдела наук о Земле NSF, который финансировал исследование. «Изменения в позвоночнике с течением времени позволили млекопитающим превратиться в бесчисленное множество видов, известных нам сегодня."
Пирс и Джонс вместе с соавтором Кеном Ангелчиком из Полевого музея в Чикаго исследовали десятки ископаемых позвоночников, а также более 1000 позвонков живых животных, включая мышей, аллигаторов, ящериц и земноводных..
Они хотели выяснить, действительно ли позвоночные области млекопитающих настолько древние, как считалось ранее, или млекопитающие делают что-то уникальное.
"Если бы позвоночные области оставались неизменными в процессе эволюции, как предполагалось, мы ожидали бы увидеть те же самые области в синапсидах немлекопитающих, которые мы наблюдаем сегодня у млекопитающих", - сказал Пирс.
Но, похоже, это не так. Когда исследователи сравнили расположение и форму позвонков, они обнаружили нечто удивительное. В ходе эволюции млекопитающих позвоночник приобрел новые области.
«У первых синапсид, не относящихся к млекопитающим, было меньше областей, чем у современных млекопитающих», - сказал Джонс.
Около 250 миллионов лет назад рядом с плечами и передними ногами образовалась новая область. Драматические изменения также начали появляться в передних конечностях животных, известных как немлекопитающие терапсиды.
Эти одновременные изменения, по мнению ученых, вероятно, произошли в связи с изменениями в том, как существа ходили и бегали.
«Похоже, во время развития между тканями, формирующими позвонки и лопатку, происходят какие-то перекрестные помехи», - сказал Пирс. «Мы думаем, что это взаимодействие привело к добавлению области возле плеча, поскольку передние конечности наших предков эволюционировали, приобретая новые формы и функции».
Позже появилась область возле таза. «Именно эта последняя область, безреберная поясничная область, кажется, способна лучше всего адаптироваться к различным условиям», - сказал Пирс.
Последний шаг в построении позвоночника млекопитающих может быть связан с изменениями в Hox-генах, важных для участков позвоночника на ранних этапах их развития.
«Мы смогли установить связи между изменениями в скелетах вымерших животных и идеями современной биологии развития и генетики», - сказал Джонс. «Этот комбинированный подход помогает нам понять, что делает млекопитающее млекопитающим».