Более века биологи считали, что костные пластины, вросшие в кожу ящериц, подобно природной кольчуге, являются древней особенностью, унаследованной одними линиями развития, а другими — утраченной впоследствии. Но новые данные свидетельствуют о том, что это совершенно неверно.
В новом исследовании, проведенном Научно-исследовательским институтом музеев Виктории (MVRI), ученые обнаружили, что большинство костных пластин ящериц — остеодерм — эволюционировали несколько раз независимо друг от друга, спустя долгое время после того, как основные группы ящериц уже разделились. По сути, многие ящерицы не унаследовали броню от общего предка, а полностью развили ее заново — и даже усовершенствовали — иногда спустя десятки миллионов лет после того, как утратили ее.
Объемная визуализация КТ-сканов ящерицы-щитовки ( Tiliqua rugosa ), сверху, и ящерицы-бусинки ( Heloderma horridum ).
Данные компьютерной томографии предоставлены Эдвардом Стэнли через MorphoSource/Museums Victoria.
Это наиболее отчетливо видно на примере варанов, особенно в Австралии, где, по-видимому, в миоцене у нескольких линий вновь развились остеодермы. Биологи считают, что ранние вараны, включая предков австралийских варанов, известных как гоанна, первоначально утратили свои остеодермы из-за активного образа жизни, ориентированного на преследование, который отдавал предпочтение скорости и ловкости, а не тяжелой броне. Спустя миллионы лет некоторые виды гоанна, по-видимому, снова развили более легкую и гибкую форму брони, возможно, в ответ на новые экологические условия.
«Это открытие также подчеркивает роль Австралии как очага эволюционных аномалий: места, где доминируют сумчатые, где млекопитающие откладывают яйца, и теперь, где произошло единственное известное «возрождение» остеодерм рептилий», — сказал Рой Эбель, ведущий автор и исследователь из MVRI и Австралийского национального университета.
В ходе исследования ученые реконструировали эволюционную историю остеодерм у чешуйчатых рептилий — группы, в которую входят ящерицы и змеи, — на протяжении примерно 320 миллионов лет. Проанализировав 643 ныне живущих и вымерших вида, они получили наиболее полную на сегодняшний день картину того, как эти костные пластины возникали, исчезали и, в некоторых случаях, вновь появлялись.
Хотя кожные пластины из кожи хорошо изучены у крокодилов (здесь они показаны у гавиала фиолетовым цветом), их наличие у ящериц и змей долгое время оставалось малоизученным.
Данные КТ предоставлены Джейми Грей через MorphoSource/Museums Victoria.
Однако эти костные пластины выполняют гораздо больше функций, чем просто защиту от физических атак. Остеодермы образуются в коже животного, а не являются частью скелета, и выполняют множество функций. У крокодилов они играют ключевую роль в поддержании здоровья животного во время длительного пребывания под водой, высвобождая кальций, который помогает нейтрализовать накопление кислоты в крови. Таким образом, эти пластины могут действовать как броня, терморегуляторы, хранилища кальция и структуры, удерживающие воду. Но, несмотря на такое разнообразие функций, их эволюционное происхождение остается неясным.
В этом исследовании ученые использовали подробные данные компьютерной томографии, показывающие расположение остеодерм у ныне живущих ящериц, и сравнили их с обширной молекулярной филогенией и палеонтологическими данными. Затем они применили эволюционные модели, учитывающие адаптации с разной скоростью во времени, что позволило им получить более четкое представление о том, когда эти костные пластины, вероятно, присутствовали или отсутствовали у предковых видов. Результаты показывают, что у самых ранних предков ящериц почти наверняка отсутствовала броня вообще, и этот признак оставался отсутствующим в течение десятков миллионов лет после того, как ящерицы впервые появились.
В ходе своей работы они обнаружили, что остеодермы возникали независимо по меньшей мере 13 раз в различных группах современных ящериц. Большинство этих приобретений произошло в относительно узкий период поздней юры и раннего мелового периода, около 140 миллионов лет назад, непосредственно перед тем, как многие основные линии начали быстро расходиться (по крайней мере, в эволюционном плане).
Ископаемые находки свидетельствуют о богатом разнообразии костных броневых пластин, некоторые из которых датируются более чем 100 миллионами лет назад (млн лет назад). Теперь мы можем поместить происхождение остеодерм в четкую эволюционную хронологию, ведущую к современным рептилиям. Данные КТ предоставлены Джозефом Гроенке, Эдвардом Стэнли, Мэтью Колбертом, Джесси Майсано и Ричардом Кетчамом через MorphoSource и DigiMorph/Museums Victoria.
Исследователи обнаружили, что остеодермы, появившиеся в генеалогическом древе ящериц, обычно сохранялись — настолько, что в большинстве современных групп ящериц утрата этих костных пластин была редкостью, фактически закрепляя броню как долговременный признак. Однако одна группа, по-видимому, является заметным исключением. Вараны, похоже, полностью утратили остеодермы около 72 миллионов лет назад, скорее всего, в результате перехода к более активному, основанному на преследовании охотничьему образу жизни. Гораздо позже, в миоцене — примерно 17–20 миллионов лет назад — остеодермы вновь появились у общих предков нескольких групп австралийских и папуанских варанов, но в более легкой, рыхлой форме.
Почему? Ученые считают, что по мере распространения варанов в новые среды обитания, особенно в засушливые регионы Австралии, остеодермы могли подвергнуться повторному отбору по другим причинам – например, для уменьшения потери воды или укрепления частей тела для защиты или лазания. В этом смысле вараны представляют собой один из самых ярких современных примеров эволюционной «реинновации». И поэтому сегодня на Земле обитает множество бронированных и небронированных варанов.
В более широком смысле, эти открытия добавляют новые сложности к нашему пониманию эволюции ящериц. Как отметили ученые, это означает, что такие животные, как ядозуб ( Heloderma suspectum ), обитающий в США и Мексике, могут быть очень похожи на австралийскую ящерицу-щитовку ( Tiliqua rugosa ) по своему бронированному виду, хотя они пришли к такому сходству морфологии совершенно разными эволюционными путями. В некотором смысле, это похоже на то, как считается, что полет развивался независимо по меньшей мере четыре раза: у насекомых, птерозавров, птиц и летучих мышей.
Эта новая эволюционная карта, представляющая собой увлекательное исследование для зоологов и эволюционных биологов всего мира, закладывает прочную основу для будущих исследований того, как и почему формируются остеодермы, включая генетические и онтогенетические механизмы, которые позволили им неоднократно возникать в разных линиях ящериц для разных целей.
«Мы продемонстрировали, что экспрессия остеодермы у чешуйчатых рептилий является результатом множественных независимых приобретений», — заключили исследователи. «Наша реконструкция представляет собой наиболее убедительное на данный момент подтверждение этой гипотезы и, таким образом, укрепляет основу для будущих дискуссий о лежащих в её основе эволюционных механизмах. Кроме того, наши результаты способствуют лучшему пониманию селективного давления и эволюционных траекторий, которые сформировали современное биоразнообразие рептилий».
Результаты исследования были опубликованы в « Биологическом журнале Линнеевского общества» .
