Первыми позвоночными на Земле были рыбы, и ученые считают, что они впервые появились около 480 миллионов лет назад. Но записи окаменелостей того времени неоднородны, идентифицированы лишь небольшие фрагменты. Однако к 420 миллионам лет назад летопись окаменелостей расцвела с огромным разнообразием видов рыб, присутствующих в массовом порядке.
"Это был постоянный вопрос, где они были?" - говорит Лорен Саллан, палеобиолог из Пенсильванского университета. «Где они прятались? Каково их экологическое происхождение?»
Саллан Иван Дж. Сансом из Бирмингемского университета и его коллеги первыми представили множество доказательств, чтобы ответить на этот вопрос в отчете, опубликованном на этой неделе в журнале Science.
И ответ, похоже, находится вблизи берега, районы, которые часто описывают как приливную зону, или мелководные лагуны.
«В современных концепциях мы видим, что коралловые рифы очень важны для биоразнообразия рыб, поэтому мы предполагаем, что существует древняя связь между рыбами и рифами, восходящая к истокам», - говорит Саллан. «Но десятилетия поисков в таких местах, как Арка Цинциннати, не увенчались успехом».
Вместо этого наша работа показывает, что почти каждое крупное подразделение позвоночных, от древнейших бронированных бесчелюстных рыб до акул и наших собственных предков, начиналось прямо возле пляжа, далеко от берега рифа. Даже по мере того, как старые группы расползались, новые группы также появлялись на береговой линии».
Находки помогают объяснить важные особенности летописи окаменелостей, например, почему так мало ранних окаменелостей рыб было найдено нетронутым; воздействие волн на мелководье океана, вероятно, разорвало их на крошечные фрагменты. Это также помогает ученым понять тот факт, что с течением времени многие группы рыб переместились из океанских вод в пресные воды, причем некоторые из них стали пресноводными, а другие превратились в первых четвероногих, наземных позвоночных.
"Они часто уходили в пресную воду раньше рифов, что является почти независимым доказательством того, что они должны были быть близко к берегу, прежде чем сделать это", - говорит Саллан.
То, где именно произошли и диверсифицировались позвоночные, было предметом горячих споров в палеонтологии. Некоторые группы окаменелостей из этого ключевого периода середины палеозойской эры рассказывают одну историю - возможно, о месте происхождения в пресной воде - в то время как другие группы могут указывать на место рождения в открытом океане, а третьи обнаруживаются в других типах среды обитания. Еще больше усложняет ситуацию то, что история происхождения биоразнообразия беспозвоночных кажется устоявшейся: они диверсифицировались вокруг коралловых рифов, а их потомки впоследствии заселили более мелкие или более глубокие воды.
Саллан, Сансом и их коллеги решили изучить вопрос о позвоночных, используя подход с большими данными.
«Хорошая вещь в летописи окаменелостей заключается в том, что мы часто находим рыб в контексте того, где они живут», - говорит Саллан. «Камень, который их держит, говорит нам, как выглядела их среда обитания, будь то риф, мелководье, глубокая вода, русло реки или озеро».
Объединяя этот экологический контекст с тем, что уже было известно о родственных связях позвоночных животных среднего палеозоя, от 480 до 360 миллионов лет назад, исследователи создали базу данных, которая включала 2 728 ранних записей о челюстных и бесчелюстных рыбы.
«Это действительно огромный новый набор данных», - говорит Саллан.
Команда смогла восстановить недостающую информацию в летописи окаменелостей с помощью математического моделирования, что позволило им сделать обоснованные прогнозы о типе среды обитания, в которой появились самые ранние предки различных групп позвоночных.
«Что касается позвоночных, мы обнаруживаем, что они происходят из этой неожиданной, действительно ограниченной мелководной области океанов», - говорит Саллан. «И они остаются в этой ограниченной области в течение длительного времени после того, как они появляются».
Однако, поскольку они оставались на мелководье, они приобрели множество приспособлений, которые позволили им конкурировать с другими в общей среде обитания. Исследователи отметили, что многие группы приобрели черты, которые сделали их хорошо подходящими для жизни либо в качестве обитателей дна, либо для свободного плавания в более глубоких водах океана..
Подобное расхождение наблюдается у современных рыб, таких как колюшки, которые в более поздние времена эволюционировали от общих предков к донным и свободно плавающим формам.
Никто не проводил столь же всестороннего исследования живых видов позвоночных. «Одна из вещей, которую мы хотим знать, - это то, являются ли эти мелководья биологическим насосом, который питает риф», - говорит Саллан. «Где находится текущий сайт инноваций?»
Если бы это было так, это могло бы стать небольшим утешением перед лицом массовой гибели рифов по всему миру; возможно, мелководье останется колыбелью диверсификации рыб, что позволит сохранить биоразнообразие, несмотря на скудость среды обитания на рифах.