История, которую часто рассказывают о крокодилах, заключается в том, что они являются одними из самых идеально адаптированных существ на планете - живые ископаемые, которые практически не изменились на протяжении миллионов лет.
Реальность гораздо интереснее.
На протяжении своей эволюционной истории крокодилы, аллигаторы и их родственники неоднократно развивали сходные формы взрослых черепов в ответ на диетические специализации: длинные морды для поедания рыбы; короткие морды для более твердой добычи; и умеренные морды для крупной добычи.
Но как создается такая широкомасштабная конвергенция?
Исследование под руководством Стефани Пирс, доцента органической и эволюционной биологии, и аспиранта Закари Морриса было направлено на решение этого вопроса путем сравнения эмбрионального развития с более поздним ростом у всех видов живых крокодилов. Их работа демонстрирует, что разнообразие форм черепа, обнаруженное сегодня, реализуется путем изменения моделей развития в ходе эволюции. Исследование описано в статье от 20 февраля, опубликованной в Proceedings of the Royal Society B..
Работа выполнена в сотрудничестве с Архатом Абжановым из Имперского колледжа Лондона и Кентом Влитом из Университета Флориды.
«Это исследование - всего лишь моментальный снимок эволюции крокодилов», - сказал Пирс. «Но это показывает, что они переделывали свою стратегию развития, чтобы адаптироваться к окружающей среде, чтобы они могли быть настолько успешными, насколько это возможно».
Этот успех, по словам Пирса и Морриса, отчасти объясняется их удивительной пластичностью.
«Часто считается, что крокодилы не изменились со временем», - сказал Моррис. «Но вместо этого наш анализ показывает, что они развили очень гибкий набор инструментов для развития… поэтому при достаточном количестве времени и селективном давлении они могут изменять скорость и время развития, что приводит к экологически различным формам с длинной, короткой и умеренной формой морды».
И, что важно, сказал Моррис, эти общие формы не ограничиваются только живыми крокодилами - они эволюционировали независимо несколько раз в летописи окаменелостей.
«Существует большое количество совпадений, которые изначально не были оценены», - сказал Пирс. «В прошлом форма черепа использовалась для определения эволюционных отношений, поэтому, если животное было короткомордым, оно было связано со всеми другими короткомордыми видами. Но с помощью современных анализов мы смогли определить что многие животные с мордами одинаковой формы на самом деле не связаны друг с другом. Независимое приобретение одной и той же формы морды, по-видимому, связано с одинаковым экологическим давлением, например, с употреблением в пищу одинаковых продуктов».
Каким бы ни было это давление, по словам Морриса, сходство форм черепа взрослых должно быть подкреплено изменениями в структуре развития и росте черепа.
Мы знаем, в общем смысле, что важная часть того, что отличает аллигатора от гавиала или карликового африканского крокодила, связана с изменениями в онтогенезе, или эмбриональном развитии и росте после вылупления, - сказал Моррис. «Учитывая, что эти разные формы эволюционировали независимо друг от друга несколько раз, у нас есть возможность увидеть, существуют ли фундаментальные механизмы, лежащие в основе эволюции этих форм».
По сути, сказала Пирс, это был вопрос, на который она и Моррис намеревались ответить в статье, - сходны или различны пути онтогенеза различных видов крокодилов, чтобы достичь своей взрослой формы.
"Мы пытаемся понять, как это делают крокодилы - как они, будучи взрослыми, сходятся в одних и тех же формах? Делают ли они это очень рано в эмбриональном развитии или это происходит позже?"
Чтобы ответить на эти вопросы, Моррис с помощью компьютерной томографии просканировал десятки эмбрионов крокодилов, сфотографировал вылупившиеся экземпляры, хранящиеся в музеях по всему миру, и отметил каждый череп в определенных местах, чтобы он мог отслеживать, как их форма менялась в процессе развития.
"Придумать, как это сделать, было непросто, потому что у самых молодых эмбриональных особей есть только очень крошечные тонкие осколки кости". - сказал Моррис.
В конце концов, Моррис смог определить ориентиры для каждого экземпляра и проследить, как они изменились в процессе развития эмбриона и взрослой жизни.
«Один из действительно интересных результатов, которые мы обнаружили, заключается в том, что, за исключением двух самых экстремальных короткомордых форм, все остальные крокодилы начинаются с одной и той же эмбриональной отправной точки», - сказал Моррис.«Они могут создавать, будучи взрослыми, огромное количество функционально различных форм из одной и той же исходной точки».
И хотя большинство крокодилов идут очень похожими путями, чтобы достичь своей взрослой формы, исследование показало, что другие выбирают совершенно разные пути.
«Мы обнаружили, что онтогенетические траектории коротких форм по существу идентичны друг другу», - сказал Моррис. «Но это не относится к длинномордым формам. У них очень похожие формы взрослых особей, но у них очень, очень разные способы туда добраться».
Пирс и Моррис продвинулись в своем анализе еще на шаг вперед - они использовали онтогенетические траектории живых крокодилов, чтобы вернуться во времени, чтобы исследовать модель развития последнего общего предка современных крокодилов.
«У нас есть данные о том, как развиваются эти живые животные, поэтому мы подумали: «Основываясь на их эволюционных отношениях, давайте реконструируем, как развивались их предки», - сказал Пирс.«А затем давайте воспользуемся этим, чтобы понять, как живые животные приобрели свои онтогенетические траектории… и как они немного изменили свою стратегию развития, чтобы в конечном итоге получить свою длинную или короткую морду».
Этот анализ показал, по словам Морриса, что предки крокодилов, вероятно, имели умеренную морду, подобно универсальным крокодилам, встречающимся сегодня.
"Итак, что действительно интересно, так это то, что если траектория предков аналогична обобщенным крокодилам, то где-то на эволюционных ветвях, ведущих к короткой и длинной формам, должны были произойти изменения в модели развития." - сказал Моррис.
«Удивительно, - продолжил Пирс, - мы смогли показать, что виды с короткой мордой замедляли свое развитие по сравнению с предком крокодила аналогичным образом, в то время как виды с длинной мордой либо ускоряли свое развитие, либо начинали с гораздо более длительного времени». морды как эмбрионы. По сути, небольшое увеличение или уменьшение скорости и времени развития в ходе эволюции привело к разнообразию форм черепа, которые мы видим сегодня».
В будущем Пирс и Моррис планируют расширить свои исследования в рамках усилий по пониманию эволюции всей линии крокодилов и продолжить изучение эмбрионального развития современных крокодилов с целью выявления генетических сигналов, лежащих в основе изменения формы черепа.
«Было важно установить, как современные крокодилы формируют свои формы черепа в эмбриональном периоде, чтобы мы могли экстраполировать их и проводить сравнения с образцами, которые мы видим в летописи окаменелостей», - сказал Моррис. «Но мы также хотим посмотреть, сможем ли мы связать эти изменения с конкретным генетическим механизмом, чтобы затем мы могли понять более широкие эволюционные механизмы, которые приводят к возникновению таких конвергентных паттернов».