Несмотря на очевидные физические различия, у слонов, ящериц и форели есть что-то общее. У них есть удлиненные гибкие структуры в задней части тела, которые мы называем хвостами. Но новое исследование палеобиолога из Университета Пенсильвании показывает, что хвосты рыб и хвосты четвероногих или четвероногих животных на самом деле представляют собой совершенно разные структуры с разной историей эволюции.
Проанализировав детенышей ископаемых рыб возрастом 350 миллионов лет, Лорен Саллан, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде Школы искусств и наук, показала, что у этих древних мальков была как чешуйчатая, мясистый хвост и гибкий плавник, сидящие один поверх другого. Подобная структура двойного хвоста наблюдается у эмбрионов современных костистых рыб, группы рыб с лучевыми плавниками, которые составляют более 95 процентов живых видов рыб.
В ходе эволюции, чтобы приспособиться к окружающей среде, взрослые костистые и четвероногие потеряли по одному из этих хвостов.
«Хвост четвероногих, вероятно, начинался как отросток, похожий на конечность, у первых позвоночных, в то время как хвостовой плавник рыб начинался как кооптированный срединный плавник, как и спинной плавник», - сказал Саллан. «Все разнообразие хвостов позвоночных может быть объяснено относительным ростом и потерей этих двух хвостов, при этом оставшийся мясистый хвост отстает в росте у людей, как и у рыб».
Саллан сообщила о своих выводах в журнале Current Biology.
В течение почти 200 лет ученые от современника Дарвина Томаса Генри Хаксли до Стивена Джея Гулда указывали на личиночную стадию современных костистых рыб, которые имеют асимметричный хвост, напоминающий хвост древних взрослых лучепёрых рыб, как на первичную Пример теории рекапитуляции, идея о том, что рост и развитие организмов проходит через стадии, которые отражают этапы эволюции от простых к более сложным организмам.
У этого примера, однако, был заметный недостаток: отсутствие окаменелостей предков молоди рыб. Стержнем для исследования Саллана стала серия ископаемых образцов Aetheretmon valentiacum возрастом 350 миллионов лет, вида рыб, родственного костистым. Окаменелости были обнаружены в Шотландии в течение десятилетий и хранились в музеях, но большинство из них никогда не исследовалось подробно. Среди неизученных экземпляров были самые маленькие из известных экземпляров этого вида - всего 3 сантиметра в длину, - представляющие самую раннюю известную стадию развития таких рыб. Эти окаменелости позволили впервые провести прямое сравнение стадий роста древних рыб и их современных костистых потомков.
Взрослая рыба Aetheretmon обладала асимметричным хвостом, более длинным сверху, чем снизу, который содержал позвонки. Группа современных рыб, называемых хондростами, в которую входят такие виды, как осетр и веслонос, иногда называют «живыми ископаемыми» и имеют схожую структуру хвоста. С другой стороны, хвосты взрослых костистых рыб почти симметричны и полностью состоят из плавников.
Согласно теории перепросмотра, ювенильные Эфиретмоны должны были казаться уменьшенными версиями взрослых, демонстрируя то, что называется прямым развитием. Наблюдения Саллана показали, что это не так. Молодой Aetheretmon на самом деле очень напоминал современных молодых костистых; у обоих есть небольшой мясистый хвост с позвонками, похожий на хвост ящерицы, покрывающий плавник. По мере взросления верхний хвост Эфиретмона продолжал расширяться. Напротив, верхняя часть хвоста современных костистых животных рано отстает в росте и поэтому в конечном итоге внедряется в растущее тело, а их хвостовой плавник вместо этого становится их единственным «хвостом».
Саллан исследовал формы хвоста множества различных видов рыб, живых и вымерших, на разных стадиях развития, и обнаружил у каждого из них одну и ту же структуру, состоящую из двух частей, по-разному устроенную.
«Это показывает, что древние рыбы и современные рыбы имели одну и ту же отправную точку развития, которая разделялась на протяжении 350 миллионов лет», - сказал Саллан.«У современных личинок костистых рыб проявляется не родовой хвост, а то, что у всех рыб есть две разные структуры хвоста, которые со временем были скорректированы в зависимости от функции и экологии для всех этих видов».
Анализ позволяет по-новому взглянуть не только на эволюцию рыб, но и на эволюцию позвоночных в целом, поскольку костистые, рыбоподобные предки эфиретмонов, живущие рыбы и наземные четвероногие, вероятно, имели оба типа хвост. Хвост, содержащий позвонки, присутствующий у Aethretmon, вероятно, представляет собой первый нарост, похожий на конечности, который стал настоящим хвостом у животных, таких как ящерицы.
Саллан сказал, что вполне вероятно, что два отростка управляются двумя разными группами генов и, таким образом, могли независимо подвергаться естественному отбору, порождая большое количество инновационных форм на протяжении всей эволюции.
«Это говорит нам, почему у нас есть все это разнообразие плавников и конечностей в прошлом и настоящем», - сказал Саллан.«Возможно, были некоторые линии, которые предпочитали одну форму другой по функциональным или экологическим причинам. Если бы рыба не смогла адаптировать эту черту, которая так важна для плавания, она могла бы вымереть».
Саллан взволнован возможностью того, что эти результаты могут быть оценены биологом развития, чтобы подтвердить молекулярные пути, которые вызывают рост конечностей или размещение плавников.
"Это был бы простой способ проверить эволюцию в лаборатории", сказала она.