Звери до нас. Нерассказанная история происхождения млекопитающих - Эльза Панчироли

Понять экологию вида, того, как он взаимодействует с окружающей средой, особенно важно для палеонтологов. А после открытия неожиданного разнообразия докодонтов это стало задачей номер один для исследователей мезозойских млекопитающих. При работе с окаменелостями лучший способ определить экологию вида – изучить его экоморфологию. То есть то, как тела животных преобразуются в соответствии с их привычками; другими словами, как форма соотносится с функцией.

Экоморфология – старая концепция, но в современной оболочке. Если раньше Кювье и Оуэн проводили кропотливые сравнения вручную, то теперь мы используем кодирование и компьютеризацию, чтобы придать процессу статистическую строгость. Наблюдение может обмануть, и наша цель – убедиться в том, что наблюдение математически значимо.

Например, предположим, что у медведей особая форма лодыжек, потому что они ходят характерной неторопливой походкой. Из этого можно заключить, что форма лодыжки обусловлена этим движением, что форма лодыжки медведя экоморфологически связана с функцией. Но как убедиться, что форма лодыжки на самом деле не результат того факта, что все медведи тесно связаны друг с другом? Они могли унаследовать такую форму просто потому, что принадлежат к одной семье. Чтобы в этом разобраться, исследователи используют программы для статистической проверки своих данных. Они проверяют взаимосвязь между формой, функцией и филогенией (взаимоотношениями животных). Если связь между формой и функцией сильнее, чем между формой и филогенией, можно с уверенностью заявить, что дело в экоморфологической особенности, а не в причуде конкретной группы животных. В случае медведей унаследованная ими форма лодыжек настолько необычна, что перекрывает экоморфологический сигнал. Их филогения сыграла большую роль в форме лодыжек, чем экология.

Длина костей конечностей особенно показательна, когда речь заходит о передвижении животного. Мы уже видели, как длинные пальцы агилодокодона сообщили о том, что он лазал по деревьям, в то время как брахидактилия на лопатообразных лапах докофоссора выдала в нем кротоподобного землекопа. Особую роль тут играет длина конечностей по сравнению с туловищем.

У бегающих животных конечности длиннее и стройнее, особенно передние. Хороший тому пример – лошади, гепарды и прыгунчики [96]. У животных, которые не так много ходят пешком или не бегают, охотясь на добычу или спасаясь от хищников, как правило, короткие конечности – вспомните носорогов, вомбатов или, в крайнем случае, морских львов и других животных, которые вообще едва могут ходить. Эти различия интуитивно понятны, но скрывают под собой множество функций, ожидаемых от конечностей и других костей тела. Среди некоторых групп различия могут быть настолько малы, что их трудно обнаружить. Измерения длины и ширины полезны в определенной степени, но они не позволяют фиксировать сложные формы, например суставы, и плохо работают в трехмерном пространстве.

Один из наиболее распространенных способов, с помощью которого современные исследователи сравнивают форму с функцией, – это так называемая геометрическая морфометрия. Этот метод можно применить к двумерному снимку (например, фотографиям костей) или трехмерной модели (полученной из данных компьютерной томографии). На кости отмечаются точки, которые в совокупности отражают ее общую форму. Они называются ориентирами, и они немного похожи на технологию захвата движения, используемую в спецэффектах и анимации. Разместив ориентиры в соответствующих местах, вы можете отметить важные части кости. Чтобы проанализировать форму с помощью геометрической морфометрии, вы идентифицируете одни и те же ориентиры на множестве разных костей, а затем сравниваете распределение этих ориентиров по всему набору данных. Например, как соотносятся одни и те же ориентиры на лодыжке медведя и гепарда?

Результаты геометрической морфометрии могут быть помещены на своего рода диаграмму, называемую морфопространством. Положение точки данных отдельного животного в морфопространстве должно предоставлять информацию о форме его костей по сравнению с другими животными. В таком случае диаграмма отразит их экологию, так что, к примеру, все роющие животные сгруппируются в одном месте, а животные, лазающие по деревьям, – в другом. Медведь и гепард будут размещены далеко друг от друга, независимо от того, какую кость вы исследуете.

Помимо визуальной оценки результатов геометрической морфометрии, вы можете протестировать их статистически. Если вы проведете такой анализ с набором данных о современных животных, а затем добавите в анализ ископаемое, то сможете увидеть, где оно располагается в морфопространстве. Анализ подскажет вам, на каких нынешних животных ископаемое больше всего похоже, статистически ли значимо их сходство и какие выводы можно сделать об их экологии.

Сегодня геометрическая морфометрия применяется к мезозойским млекопитающим и их сородичам, чтобы проверить их истинное экологическое разнообразие. Но в их анализе есть определенные загвоздки. Во-первых, отсутствие полных окаменелостей. Из всех сотен названных видов большинство известно только по зубам и челюстям. Они могут немного рассказать нам о диете своих владельцев, но не о передвижении. Если кости конечностей и встречаются, они обычно повреждены, а в случае с почти «свежими» останками из Китая еще и раздавлены. Это затрудняет компьютерную томографию и сужает круг приемов, которые исследователи хотели бы применить.

Но, пожалуй, самая большая проблема в том, что этих животных разделяют сотни миллионов лет эволюционных изменений. На первый взгляд можно подумать, что мезозойские млекопитающие напоминают современных. Нетренированному глазу они покажутся грызунами – однако их кости куда сложнее. Многие представляют собой смесь форм, не только унаследованных от предшественников, но и приобретенных благодаря новым функциям.

Вернемся к основной кости лодыжки, называемой пяточной костью, – она многое говорит нам о положении стопы и передвижении современных групп. Она практически не изменилась с времен цинодонтов триаса до поздней юры и раннего мела. Плечевой пояс, который обеспечивал жесткую поддержку верхней части тела нашим предкам-синапсидам с раскинутыми в стороны конечностями, сокращается, но полностью исчезает только в меловом периоде. Однопроходные, видимо, из любви к неуклюжести, его сохранили, что делает их уникальными среди ныне живущих групп млекопитающих.

Тем временем развивались совершенно новые формы костей, поскольку мышцы адаптировались к выполнению новых задач, а масса тела менялась. Мелкие животные, такие как млекопитающие триасового периода, ставят перед исследователями новые задачи. Маленьким животным не нужно сильно приспосабливать свой скелет, чтобы передвигаться по-новому, потому что они достаточно легкие, чтобы лазать по деревьям или удирать, используя только имеющуюся мускулатуру. В таком случае труднее определить экоморфологические сигналы в их костях.

По всем этим причинам прямые сравнения между нынешним животным и его давно ушедшими собратьями могут оказаться бессмысленными или трудно интерпретируемыми, ведь их тела работают по-разному. И на то, чтобы отделить палеонтологические зерна от палеонтологических плевел, исследователи тратят всю свою карьеру. Да, это сложно и муторно, но все-таки выполнимо. С