Шия здається надзвичайно корисною частиною тіла: завдяки їй ми можемо повертати голову, реагувати на звуки й дивитися в різні боки, не рухаючи всім тулубом. Тому вчені тривалий час припускали, що саме такі переваги отримали перші чотириногі тварини, у яких голова відокремилася від плечового пояса.
Однак нове дослідження, опубліковане в журналі Nature, ставить це припущення під сумнів. Виявилося, що більшість ранніх чотириногих тварин, попри наявність шиї, могли рухати головою лише на кілька градусів. Деякі з них мали настільки жорстку анатомічну будову, що навіть невеликий поворот голови вимагав би значних зусиль.
Це відкриття допомагає по-новому поглянути на еволюцію хребетних і зрозуміти, чому шия могла з’явитися задовго до того, як стала рухливою.
Навіщо першим чотириногим знадобилася шия?
У сучасних риб плечовий пояс зазвичай з’єднаний із черепом. Через це голова значною мірою рухається разом із тулубом. Під час еволюції перших чотириногих хребетних, які поступово пристосовувалися до життя на мілководді та суходолі, голова відокремилася від плечей. Так сформувалася шия.
Цю важливу анатомічну зміну можна простежити за викопними рештками тварин, зокрема тіктааліка (Tiktaalik) та акантостеги (Acanthostega).
Дослідники припускали, що нова будова давала змогу повертати голову незалежно від тулуба. Це могло допомагати тваринам оглядати навколишній простір і пристосовуватися до нових умов існування. Проте залишалося ключове питання: чи справді перші шиї були достатньо гнучкими, щоб забезпечити таку перевагу?
Як учені дослідили рухливість доісторичних ший
Команда на чолі з Даною Корнейзел, яка раніше працювала в Університеті Карлтона в Канаді, а нині пов’язана з Уппсальським університетом у Швеції, спробувала відновити можливу рухливість шиї у шести вимерлих видів.
Завдання було непростим. У ранніх чотириногих хребет був влаштований інакше, ніж у сучасних наземних тварин. Замість звичних рухливих суглобів між хребцями в них була хорда — гнучкий внутрішній стрижень, оточений кістковими або хрящовими структурами.
Щоб оцінити механічні властивості такої конструкції, науковці дослідили осетрових. Ці риби зберігають хорду протягом усього життя, тому їхня анатомія дає корисну модель для порівняння, хоча вони й не є близькими родичами перших чотириногих.
Дослідники вивчили хребти десяти однорічних озерних осетрів. Вони взяли ділянки завдовжки приблизно 38–43 сантиметри та перевірили, наскільки легко ті згинаються й скручуються. З’ясувалося, що сама хорда дуже гнучка. Однак кісткові дуги та сполучні тканини навколо неї значно обмежували рухливість усієї конструкції. Отримані результати команда використала для моделювання ший вимерлих тварин, врахувавши відмінності в розмірах, формі тіла та приблизній силі м’язів.
Наскільки мало могли рухатися перші шиї
Результати виявилися несподіваними. Наявність шиї зовсім не означала, що тварина могла вільно повертати голову. За розрахунками дослідників, тіктаалік міг згинати шию вбік приблизно на 5,5 градуса, а вгору — лише на 2,25 градуса.
У трьох інших досліджених видів — акантостеги, гререерпетона (Greererpeton) і тримерораха (Trimerorhachis) — рухливість була ще меншою: не більше ніж 3 градуси вбік і 1,5 градуса вгору. Для порівняння: хвилинна стрілка годинника проходить 6 градусів за одну хвилину. Отже, йдеться про справді обмежений діапазон руху.
Цікаво, що навіть риба еустеноптерон (Eusthenopteron), у якої голова ще залишалася з’єднаною з плечовим поясом, за певних умов могла б демонструвати більший діапазон згинання: приблизно 8,5 градуса вбік і 3 градуси вгору. Інакше кажучи, відокремлення голови від плечей не гарантувало істотного збільшення її рухливості.
Довша шия — більше можливостей
Важливу роль відігравала форма шиї. Високі й вузькі кісткові структури сильніше опиралися боковому згинанню, тоді як довші шиї зазвичай виявлялися гнучкішими.
Особливо вирізнялася вимерла тварина Whatcheeria. Довжина її шиї становила близько 20 сантиметрів. За моделлю, вона могла згинатися вбік приблизно на 32 градуси, а вгору — на 12 градусів.
Це значно більше, ніж у більшості інших досліджених видів. Такий результат свідчить, що рухливість шиї залежала не лише від самого факту її появи, а й від конкретної анатомічної будови тварини. Водночас ці цифри є розрахунковими оцінками, а не безпосередніми вимірюваннями рухів живих доісторичних тварин.
Чому повертати голову було особливо складно
Ще важче було оцінити скручування шиї, тобто рух, який дозволяє людині похитати головою з боку в бік.
Оскільки м’язи вимерлих тварин неможливо точно відновити за наявними рештками, команда розрахувала силу, необхідну для повороту голови лише на 5 градусів. Для тіктааліка модель показала крутний момент близько 200 ньютон-метрів. Для інших досліджених видів оцінки становили приблизно 314–746 ньютон-метрів.
Такі значення вказують на те, що навіть невелике обертання голови могло вимагати значних зусиль. За словами Корнейзел, рухи, подібні до людського похитування головою, для досліджених ранніх чотириногих були практично недоступними.
Шия спочатку виникла не для того, щоб озиратися
Якщо ранні шиї майже не дозволяли рухати головою, навіщо вони взагалі з’явилися?
Дослідники припускають, що ключову роль відіграли зміни в плечовому поясі та передніх кінцівках. У міру того як предки чотириногих пристосовувалися до опори на дно й пересування суходолом, переднім кінцівкам потрібна була більша незалежність від черепа.
Відокремлення голови від плечей могло бути наслідком цих змін, а не спеціальним пристосуванням для кращого огляду навколишнього світу. Жорстка шия також могла мати свої переваги. Вона потенційно допомагала стабілізувати тіло під час плавання та підтримувати його проти сили тяжіння, хоча ці можливі функції потребують подальшого вивчення.
З часом у хребетних розвинулися складніші суглоби та інші анатомічні особливості, що забезпечили більшу рухливість голови. Проте точно визначити, коли саме це сталося, поки що не вдалося.
Що це відкриття змінює в розумінні еволюції
Команда перевірила свій підхід, порівнявши модель із рухами сучасних дводишних риб. Під час годування ці риби можуть підіймати голову приблизно на 5 градусів. Розрахунки дали значення 5,25 або 8,75 градуса — результати, які можна зіставити з попередніми спостереженнями, хоча вони й не збігаються точно.
Автори також визнають обмеження дослідження: м’язи, шкіра, ребра, зябра та кісткові пластини могли додатково обмежувати рухи. Тому отримані оцінки не відтворюють усіх особливостей живої тварини. Попри це, робота ставить під сумнів поширене уявлення про те, що шия від самого початку давала раннім чотириногим змогу вільно повертати голову.
Еволюційна історія цієї частини тіла виявилася складнішою: спочатку виникла анатомічна можливість відокремити голову від плечей, а значна рухливість з’явилася пізніше. Те, що сьогодні здається очевидною перевагою, не обов’язково було первісною причиною появи нової структури. Результати дослідження опубліковано в науковому журналі Nature.