Окиньте взглядом современные океаны, реки и озера, и вы столкнетесь с удивительным разнообразием рыб, от узкотелых угрей до гигантских веслоносов длиной 25 футов и изящных порхающих морских коньков. Подавляющее большинство ныне живущих рыб - примерно 96 процентов - известны как костистые рыбы, группа рыб с лучевыми плавниками, которые появились 260 миллионов лет назад.
Эволюционные биологи и палеонтологи со времен Дарвина предлагали гипотезы, объясняющие, почему костистые кости, по-видимому, «превзошли в эволюции» другие группы. Близкородственные голостеи, например, когда-то господствовали в океанах, но теперь считаются «живыми ископаемыми», представляющими всего восемь видов в формах, напоминающих те, что были в прошлом.
Но этот взгляд на историю успеха костистых может быть основан на ложном предположении, что костистые кости доминируют сегодня, потому что они всегда были более эволюционно инновационными, чем другие группы. Новый анализ более тысячи ископаемых рыб из почти 500 видов, проведенный Джоном Кларком из Пенсильванского университета, показал, что история успеха костистых рыб не так проста, как считалось раньше. Изучая первые 160 миллионов лет эволюции костистых и голостых организмов, от пермского до раннего мелового периодов, ученые показывают, что голостеи были такими же эволюционно инновационными, как и костистые, а возможно, и более новаторскими..
«Многие из этих так называемых живых ископаемых, которые сегодня кажутся довольно скучными, на самом деле имеют довольно богатую историю», - сказал Кларк.«Если бы нам нужно было вернуться назад во времени, к триасовому периоду, и вам нужно было сделать ставку на то, какая группа добьется большего успеха в будущем, вы бы определенно выбрали голостеанов. Просто так не вышло».
Кларк сотрудничал с Грэмом Т. Ллойдом из Университета Маккуори и Мэттом Фридманом из Оксфордского университета в работе, которая опубликована в Proceedings of the Academy of Natural Sciences.
Легко понять, почему ученые долгое время считали костистых рыб исключительными. Они представляют 29 000 разнообразных видов по всему миру, примерно половину современных позвоночных. Напротив, восемь живых видов, которые составляют голостеи, имеют сходство, и все они обитают в пресных водах восточной части Северной Америки. Для объяснения успеха костистых рыб было выдвинуто множество идей, включая гибкую структуру их челюстей, разнообразие репродуктивных стратегий и симметричность их хвостовых плавников.
С появлением молекулярных и генетических методов исследования эволюции исследователи также связывают успех костистых рыб с событием дупликации генома в эволюционном прошлом, которое оставило рыбу с удвоенным числом хромосом и, следовательно, с большим количеством сырья для приобретать полезные мутации и развиваться.
Тем не менее, Кларк и его коллеги хотели немного отступить, ставя под сомнение само предположение, что костистые кости всегда были более инновационными и успешными в эволюционном отношении.
«Были времена, когда голостаны были лучшими собаками», - сказал Кларк. «Существует множество окаменелостей голостея, и они были весьма разнообразны не только по количеству, но и по большому разнообразию размеров и форм, которыми они обладали».
Из летописи окаменелостей было известно, что голостеи преобладали в триасовом периоде, а затем в ранней и средней юре. Однако в поздней юре костистые кости начали преобладать.
Поэтому исследователи решили сосредоточиться на более раннем периоде эволюции рыб, начиная с пермского периода, который только что предшествовал триасовому периоду, и следуя за ним в течение 160 миллионов лет в раннем меловом периоде, который следовал за юрским периодом.
Для этого они опирались на набор данных, включающий размер и форму сотен окаменелостей, которые Кларк собрал во время посещения 15 музеев в рамках своей докторской диссертации. Д. исследования. Они также построили «супердеревья», чтобы обобщить родственные связи почти всех известных вымерших видов голостевых и костистых рыб триасового, юрского и раннего мелового периодов. Эти большие деревья были построены из более чем 100 более мелких деревьев, уже имеющихся в палеонтологической литературе, на основе исследований, в которых изучались морфологические признаки рыб для разработки их эволюционного дерева..
В то время как другие исследователи изучали закономерности разнообразия окаменелостей рыб, никто никогда не применял количественную основу, чтобы определить, обладали ли голостые или костистые рыбы более высокими показателями или более инновационными формами и размерами.
Ученые под руководством Пенсильванского университета смогли использовать супердеревья, чтобы сначала оценить скорость эволюции размеров костистых и голостевых животных, а затем сравнить степень изменения формы в двух группах.
В своих различных анализах образцов Кларк и его коллеги не нашли подтверждения ожиданиям, что костистые тела будут быстрее изменять размеры и формы своего тела или смогут лучше «изобретать» новые размеры и формы по сравнению с голостами. Напротив, используя шкалу времени из молекулярных исследований, которые предполагали, что голостеи и костистые кости эволюционировали намного раньше в истории Земли, чем когда появились их первые окаменелости, голостеи, казалось, вышли на первое место, представляя себя более инновационными в эволюции новых размеров и быстрее в эволюции между различными формами.
«Нет убедительных доказательств того, что костистые кости лучше всего развивались в различных размерах и формах тела», - сказал Кларк. «И на самом деле, во всяком случае, есть некоторые доказательства, намекающие на то, что, возможно, голостеанцы были более инновационными, когда дело доходило до эволюции разных размеров тела и быстрее меняли форму».
Исследователи также использовали набор данных, чтобы выяснить, коррелирует ли дублирование генома с увеличением скорости эволюции и инноваций. Они не обнаружили последовательной связи с эволюцией размера, но увидели признаки того, что эволюция формы была повышена у более геологически недавних костистых рыб с дублированными геномами по сравнению с более древними группами костистых. Однако это произошло из-за того, что эти более древние костистые рыбы были особенно медленными в развитии формы, поскольку они одинаково плохо сравниваются с голостами, а не означали какой-либо исключительной эволюции этих костистых с дублированными геномами. Исходя из этого, авторы считают роль дупликации генома в эволюции размера и формы «неоднозначной», предполагая, что, в соответствии с недавними исследованиями диверсификации живых костистых рыб, дупликация генома не является волшебной палочкой, объясняющей разнообразие всех видов. костистые кости.
Кларк хотел бы продолжить изучение истории неоптеригийских рыб, особенно тех живых ископаемых, которыми часто пренебрегают в пользу исследования более динамичных и разнообразных живых костистых рыб.
«Многие биологи пытались объяснить, почему некоторые группы настолько невероятно успешны, - сказал он. «Но мало внимания уделялось другому концу спектра: как получить живые ископаемые, эти маловидовые, долгоживущие группы, которые занимаются одним и тем же в течение миллионов лет."