Исследования окаменелых рыб позднего девонского периода, примерно 375 миллионов лет назад, подробно описывают эволюцию плавников, когда они начали превращаться в конечности, пригодные для ходьбы по суше.
Новое исследование палеонтологов из Чикагского университета, опубликованное на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, использует компьютерную томографию для изучения формы и структуры плавниковых лучей, пока они все еще заключены в окружающую породу. Инструменты визуализации позволили исследователям впервые построить цифровые 3D-модели всего плавника рыбоногих моллюсков Tiktaalik roseae и их родственников в палеонтологической летописи. Затем они могли использовать эти модели, чтобы сделать вывод о том, как работали плавники и как они менялись по мере того, как они превращались в конечности.
Большая часть исследований плавников на этом ключевом переходном этапе сосредоточена на больших, отчетливых костях и фрагментах хрящей, которые соответствуют таковым в нашем плече, предплечье, запястье и пальцах. Известные как «эндоскелет», исследователи прослеживают, как эти кости изменились, чтобы стать узнаваемыми руками, ногами и пальцами четвероногих или четвероногих существ.
Нежные лучи и шипы плавников рыб образуют второй, не менее важный «кожный» скелет, который в этот период также претерпевал эволюционные изменения. Эти части часто упускают из виду, потому что они могут развалиться, когда животные окаменели, или потому, что они намеренно удаляются препараторами окаменелостей, чтобы обнажить более крупные кости эндоскелета. Кожные лучи составляют большую часть поверхности плавников многих рыб, но были полностью утрачены у первых существ с конечностями.
«Мы пытаемся понять общие тенденции и эволюцию кожного скелета до того, как произошли все эти другие изменения и развились полноценные конечности», - сказал Томас Стюарт, доктор философии, исследователь с докторской степенью, который руководил новым исследованием. «Если вы хотите понять, как животные эволюционировали, чтобы использовать свои плавники в этот период истории, это важный набор данных».
Увидеть древние плавники в 3D
Стюарт и его коллеги работали с тремя позднедевонскими рыбами с примитивными чертами четвероногих: Sauripterus taylori, Eusthenopteron foordi и Tiktaalik roseae, которые были обнаружены в 2006 году группой под руководством палеонтолога Калифорнийского университета в Чикаго Нила Шубина, доктора философии, старшего автора нового исследования. Считалось, что Sauripterus и Eusthenopteron были полностью водными и использовали свои грудные плавники для плавания, хотя они, возможно, могли опираться на дно озер и ручьев. Тиктаалик, возможно, был в состоянии поддерживать большую часть своего веса с помощью плавников и, возможно, даже использовал их, чтобы выходить из воды для коротких поездок по мелководью и илистым отмелям.
«Видя весь плавник тиктаалика, мы получаем более четкое представление о том, как он подпирал себя и двигался. Плавник имел своего рода ладонь, которая могла лежать вровень с илистым дном рек и ручьев», - Шубин. сказал.
Стюарт и Шубин работали со студенткой бакалавриата Ихной Ю и Джастином Лембергом, доктором философии, еще одним исследователем в лаборатории Шубина, чтобы отсканировать образцы этих окаменелостей, пока они все еще находились в скале. Используя программное обеспечение для обработки изображений, они реконструировали 3D-модели, которые позволили им перемещать, вращать и визуализировать кожный скелет, как если бы он был полностью извлечен из окружающего материала.
Модели показали, что лучи плавников этих животных были упрощены, а общий размер плавниковой сети был меньше, чем у их более рыбных предшественников. Удивительно, но они также увидели, что верх и низ плавников становятся асимметричными. Лучи плавников на самом деле образованы парами костей. У Eusthenopteron, например, спинной, или верхний, плавниковый луч был несколько крупнее и длиннее брюшного, или нижнего. Спинные лучи тиктаалика были в несколько раз больше, чем его брюшные лучи, что позволяет предположить, что у него были мышцы, которые простирались на нижней стороне его плавников, как мясистое основание ладони, чтобы поддерживать его вес.
«Это дает дополнительную информацию, которая позволяет нам понять, как такое животное, как Тиктаалик, использовало свои плавники в этом переходе», - сказал Стюарт. «Животные перешли от свободного плавания и использования своих плавников, чтобы управлять потоком воды вокруг себя, к тому, чтобы приспособиться к тому, чтобы отталкиваться от поверхности на дне воды».
Стюарт и его коллеги также сравнили кожные скелеты живых рыб, таких как осетровые и двоякодышащие, чтобы понять закономерности, которые они наблюдали в окаменелостях. Они увидели некоторые из тех же асимметричных различий между верхней и нижней частью плавников, предполагая, что эти изменения сыграли большую роль в эволюции рыб.
"Это дает нам больше уверенности и еще один набор данных, чтобы сказать, что эти модели реальны, широко распространены и важны для рыб, не только в летописи окаменелостей, поскольку они связаны с переходом от плавника к конечности, но и с функцией плавники широко."
Исследование «Дорсовентральная асимметрия в кожных лучах парных плавников тетраподоморфов» было поддержано Фондом Бринсона, Академией естественных наук, Отделением биологических наук Чикагского университета и Национальным научным фондом. Дополнительные авторы включают Наталью Тафт из Университета Висконсина в Парксайде и Эдварда Дэшлера из Университета Дрекселя.