Исследователи из Чикагского университета использовали инструменты, разработанные для изучения трехмерных движений и механики челюстей современных рыб, чтобы впервые проанализировать ископаемую рыбу. В сочетании с технологией компьютерной томографии, позволяющей получать изображения окаменелости, пока она все еще находится в скале, результаты показывают, что у акулы возрастом 335 миллионов лет были сложные челюсти, способные всасывать пищу, характерную для костистых рыб, таких как окунь. окунь, карп, а также современные акулы-няньки.
Примечательно, что челюсти этих древних акул примерно на 50 миллионов лет старше, чем самые ранние свидетельства существования подобных челюстей, приспособленных для всасывания пищи у костистых рыб. Это показывает как эволюционную универсальность акул, так и то, как быстро акулы отреагировали на новые экологические возможности после одного из пяти крупных вымираний в истории Земли.
«Среди современных водных позвоночных всасывающее питание широко распространено и часто упоминается как ключевой фактор, способствовавший впечатляющему эволюционному успеху лучеперых рыб», - сказал Майкл Коутс, доктор философии, профессор биологии организмов и анатомии в Чикагский университет и старший автор нового исследования. «Но здесь мы показываем, что высокоэффективное всасывающее питание впервые появилось у одной из самых ранних известных акул».
Полный набор для сборки акулы
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Science Advances, описывает окаменелость Tristychius arcuatus, двухфутовой акулы, похожей на собаку. Впервые она была обнаружена швейцарским биологом Луи Агассисом в 1837 году, а позже подробно описана Джоном Диком, бывшим одноклассником Коутса, в 1978 году. Ферт-оф-Форт недалеко от Эдинбурга, Шотландия.
Окаменелости акул редки, потому что их хрящевой скелет обычно гниет до того, как появляется хоть какой-то шанс окаменения. В течение десятилетий исследователи, изучающие древних акул, ограничивались изолированными зубами и шипами плавников. Даже если они находят более полный скелет, он обычно сплющен, или, если он заключен в один из этих камней, он рассыпается, когда его пытаются извлечь.
Коутс и его лаборатория лидируют в применении современных технологий визуализации и программного обеспечения для изучения этих сложных окаменелостей. Компьютерная томография позволяет им создавать 3D-изображения любого окаменелого хряща и отпечатков, которые он оставил, будучи заключенным в камень. Затем, используя сложное программное обеспечение для моделирования, первоначально разработанное для изучения структуры и функций современных рыб, они могут воссоздать, как выглядел полный скелет, как части соединялись и двигались, и что это означало для того, как жили эти акулы.
«Эти новые методы компьютерной томографии высвобождают огромное количество ранее недоступных данных», - сказал Коутс.
Его команда приступила к повторному изучению некоторых из тех окаменелостей, которые изучал Дик, а также образцов, оставшихся нетронутыми в более ранних исследованиях. «Некоторые из них прекрасно сохранились, - сказал Коутс. «Мы поняли, что, когда мы получили все части [виртуально], у нас был полный комплект для сборки нашей акулы в 3D».
Победа над подводной физикой
Этот виртуальный конструктор также позволил им создать 3D пластиковые распечатки хрящей, из которых построен череп акулы. Это, в свою очередь, позволило Коутсу и его команде смоделировать движения и соединения, как физически, так и виртуально, чтобы увидеть, как работает череп.
Рыбы, использующие всасывающее питание, по существу всасывают воду через рот, чтобы поймать неуловимую добычу, такую как черви, ракообразные и другие беспозвоночные со дна океана. Для этого они должны втягивать воду, когда открывают рот, но не выталкивать ее обратно, когда закрывают.
Всасывающие кормушки преодолевают эту сложную физику, направляя воду обратно через жабры. Силу всасывания, которую они создают, можно увеличить за счет гибких дуг и суставов, которые расширяют щеки, и объема внутри рта, чтобы втягивать воду (представьте себе ощущение, когда вы держите руки вместе под водой и медленно разводите ладони в стороны).
Сегодняшние рыбы усовершенствовали этот процесс, но у Tristychius был аналогичный кормовой аппарат, который мог расширяться, открывая и закрывая рот, чтобы контролировать поток воды (и пищи). Важно отметить, что это включало набор хрящей вокруг рта, которые ограничивали размер отверстия для контроля количества всасывания. Круглый рот был выдвинут вперед на конце морды, как у современной ковровой акулы или акулы-няньки, а не как зияющая зубастая пасть, как у большой белой акулы.
В то время как у других акул того времени были более типичные щелкающие челюсти, сочетание расширяющихся щек и тщательно контролируемого отверстия рта давало Тристихиусу доступ к ранее неиспользованным пищевым ресурсам, таким как добыча, укрывающаяся в неглубоких норах или в других труднодоступных местах. - для отлова косяков креветок или молоди рыб, примерно за 50 миллионов лет до того, как костистые рыбы усвоили тот же метод.
«Сочетание как физических, так и вычислительных моделей позволило нам исследовать биомеханику палеозойской акулы так, как никогда раньше», - сказал Коутс. «Эти конкретные акулы делали что-то сложное и новое. Здесь мы имеем самое раннее свидетельство этой ключевой инновации, которая была так важна для многих групп рыб и неоднократно развивалась».
Дополнительными авторами исследования являются Кристен Титджен из Чикагского университета, Аарон М. Олсен из Университета Брауна и Джон А. Финарелли из Университетского колледжа Дублина, Ирландия.