Древнейшие млекопитающие передвигались, опираясь на всю стопу

Древнейшие млекопитающие были стопоходящими, то есть при ходьбе опирались на всю стопу. Со временем часть из них приспособилась к пальцехождению, что позволило передвигаться быстрее, а у некоторых пальцеходящих животных в процессе эволюции появились копыта. Это показал филогенетический анализ 880 видов современных млекопитающих, результаты которого опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Также авторы статьи предположили, что адаптация к разным способам ходьбы повлияла связана с эволюцией массы млекопитающих.

Сверху. Строение стопы, характерное для животных со стопохождением. Снизу слева. Строение стопы, характерное для животных с пальцехождением. Снизу справа. Строение стопы копытных (фалангохождение). Рисунок из книги «Biology; the story of living things», 1937.

Internet Archive Book Images

Сухопутные млекопитающие обитают в самых разных экосистемах и по весу различаются на шесть порядков величины (самое маленькое млекопитающее карликовая бурозубка весит примерно 1,5 грамма, а самое большое — африканский саванный слон — в среднем семь тонн). Чтобы приспособиться к разным условиям животные адаптировались к нескольким способам передвижения: стопо-, пальце- и фалангохождению. Древесные животные, звери, роющие норы, прыгающие, или передвигающиеся на большие расстояния с помощью ходьбы или неспешного бега, опираются на всю стопу. Быстро бегающие животные, в частности, многие хищники, во время движения опираются на фаланги пальцев, а копытные — на последнюю фалангу одного или двух пальцев.

Изучая окаменелости древних млекопитающих, исследователи выдвигают гипотезы о том, как они двигались и как эволюционировали способы передвижения, и, соответственно, конечности (1, 2). Однако эти предположения нужно проверить статистически, на большом количестве таксонов. Этим занялись японские и британские исследователи под руководством Таи Кубо (Tai Kubo) из Токийского университета. Они провели филогенетический анализ способов передвижения 880 видов современных млекопитающих. За нулевую гипотезу ученые приняли предположение, что эволюция между любыми двумя способами передвижения равновероятна и, соответственно, что переход мог происходить между любыми двумя способами, как в одну, так и в другую сторону.

Результаты филогенетического анализа показали, что, вероятнее всего, древнейшие млекопитающие передвигались, опираясь на всю стопу. Позднее часть их потомков адаптировалась к пальцехождению. А часть животных, передвигавшихся на пальцах, впоследствии эволюционировала в копытных. Возможно, что происходила и обратная адаптация — от копытных к пальцеходящим, и от пальцеходящих к стопоходящим. По другой, менее вероятной модели, стопо- и пальцеходящие животные эволюционировали в обе стороны. Часть пальцеходящих обзавелась копытами, а некоторые копытные снова приспособились к стопохождению.

Черным цветом показаны стопоходящие, голубым — пальцеходящие, розовым — фалангоходящие животные.А. Иллюстрация нулевой гипотезы. Эволюция между разными способами передвижения была равновероятна. В, С. Результаты филогенетического анализа показали, что вероятнее всего, стопоходящие животные адаптировались к пальцехождению, а затем — к фалангохождению. Вероятность этой модели была 57 процентов. D. Согласно менее вероятной модели, часть копытных животных могла приспособиться к стопохождению.

Tai Kubo et al. / PNAS, 2019

Ранее исследователи полагали, что способ ходьбы повлиял и на эволюцию веса млекопитающих. Действительно, животные из трех групп существенно различаются по этому параметру. Пальцеходящие животные больше, чем стопоходящие (их медианный вес 1,35 и 0,75 килограммов, соответственно), а копытные (медианный вес 78,1 килограмм) существенно крупнее пальцеходящих. Авторы нового исследования решили проверить эту гипотезу. Для этого они рассчитали скорость эволюции веса животных внутри каждой группы и при переходе от одного способа ходьбы к другому.

Оказалось, что скорость изменения размеров тела при переходе от одного способа ходьбы к другому была в семь раз выше, чем внутри группы. По-видимому, изменения размеров при адаптации происходили не постепенно, с течением времени, а очень быстро. С другой стороны, возможен и обратный сценарий, когда изменение размеров тела в процессе эволюции могло повлиять на адаптацию к другому способу передвижения.

Как заключают авторы, корреляция не означает причинно-следственную связь, поэтому сказать наверняка, что изменилось сначала — походка или размеры тела — не представляется возможным. Однако, более масштабный статистический анализ, в том числе окаменелостей, может прояснить картину. Вероятно, что разница в размерах между стопоходящими и остальными четвероногими животными была характерна не только для млекопитающих; она возникла гораздо раньше. Возможно, статистический анализ разных таксонов (в том числе вымерших) прояснит этот вопрос.