Наши предки вылуплялись из яиц: окаменелость возрастом 250 млн лет подтвердила спорную гипотезу палеонтологов

Эволюционная история млекопитающих неразрывно связана с процессом размножения. Долгое время биологи опирались на устоявшееся положение: древние предки современных млекопитающих, известные как синапсиды, размножались путем откладывания яиц. Сегодня этот способ сохранился только у самых примитивных представителей класса — утконосов и ехидн.

Именно на факте откладывания яиц древними синапсидами строится главная современная гипотеза происхождения лактации — способности выкармливать потомство молоком. Ученые предполагают, что молочные железы изначально появились не для кормления. На ранних этапах эволюции яйца наших предков имели не твердую кальциевую скорлупу, как у птиц, а мягкую и кожистую, как у многих современных змей. Такие яйца быстро теряют влагу и уязвимы для бактерий. Считается, что особые железы на коже матери выделяли жидкость, чтобы увлажнять эту скорлупу и защищать эмбрионы от инфекций. Лишь спустя миллионы лет состав этой жидкости изменился, став источником питания для детенышей.

Эта гипотеза имела один существенный недостаток. За 180 лет непрерывных палеонтологических раскопок по всему миру исследователи не нашли ни одного достоверного яйца синапсид пермского или раннетриасового периода. Отсутствие прямых физических доказательств ставило под угрозу всю теорию.

Парадокс пустой породы

Особенно остро проблема стояла при изучении геологической формации Кару в Южной Африке. Это одно из самых богатых мест на планете по количеству останков древних животных. Условия для сохранения окаменелостей там настолько благоприятны, что палеонтологи регулярно находят кости и даже окаменелые яйца динозавров. Но яиц синапсид не было.

Ситуация выглядела настолько неправдоподобной, что еще в 1964 году известный южноафриканский палеонтолог Джеймс Китчинг публично усомнился в том, что эти животные вообще откладывали яйца. В научной среде начала набирать популярность альтернативная версия: возможно, древние синапсиды эволюционировали в сторону живорождения гораздо раньше, чем принято считать. Если бы это оказалось правдой, гипотезу о происхождении молока для увлажнения скорлупы пришлось бы полностью пересматривать.

Конец этим спорам положило недавнее исследование группы палеонтологов. В породах Южной Африки был найден образец, который после высокотехнологичного анализа оказался тем самым недостающим звеном — первым в истории науки эмбрионом предка млекопитающих, развивающимся внутри яйца за несколько дней до вылупления.

Рентген для древнего камня

Предметом изучения стали останки листрозавра. Это травоядное животное размером с небольшую собаку или свинью, жившее около 250 миллионов лет назад. Листрозавры примечательны тем, что смогли пережить Великое пермское вымирание — самую большую катастрофу в биосфере Земли, уничтожившую до 90% всех видов. В раннем триасовом периоде они стали самыми массовыми наземными позвоночными на планете. У них было бочкообразное тело, роговой клюв для срезания растений и пара клыков на верхней челюсти.

В распоряжении ученых оказались три самых маленьких известных черепа листрозавров. Особый интерес вызвал образец с индексом NMQR 3636. Внешне он выглядит как обычный кусок породы — небольшой каменный узел длиной всего 73 миллиметра. Кости внутри находились в таком хрупком состоянии, что любая попытка извлечь их механическим путем привела бы к полному разрушению.

Чтобы заглянуть внутрь камня, исследователи использовали метод синхротронной рентгеновской микротомографии на базе Европейского источника синхротронного излучения (ESRF) во Франции. Установка просветила породу мощным пучком частиц, создав трехмерную цифровую копию внутреннего содержимого с разрешением до 17 микрометров.

Внутри сканера проявился почти полный скелет крошечного листрозавра. Длина его черепа составляла всего 34,5 миллиметра. Скелет был плотно свернут, повторяя форму овала. Однако одной только позы было недостаточно для научных выводов: мертвые животные часто принимают неестественные скрученные положения под давлением грунта. Ученым требовались весомые анатомические доказательства того, что это именно невылупившийся зародыш.

Анатомия нерожденного

Анализ цифровой модели выявил три ключевых факта, которые не оставили сомнений в происхождении образца.

Во-первых, строение нижней челюсти. У листрозавров, как и у современных черепах или птиц, челюсть заканчивалась роговым клювом. Биология формирования таких челюстей хорошо изучена: чтобы животное могло откусывать и пережевывать твердую пищу, левая и правая половины нижней челюсти должны прочно срастись между собой в передней части. У всех современных яйцекладущих видов с клювом это срастание происходит еще до появления на свет, на поздних этапах нахождения в яйце. На томограмме образца NMQR 3636 ученые увидели, что левая и правая кости нижней челюсти не соединены. Между ними находился широкий зазор с гладкими, неповрежденными краями. Это значит, что процесс формирования скелета не был завершен. Если бы этот листрозавр уже вылупился, он физически не смог бы питаться растительностью — его челюсти просто разошлись бы под нагрузкой.

Во-вторых, отсутствие зубов. У двух других, чуть более крупных детенышей листрозавров, исследованных в этой же работе, в костях верхней челюсти уже были видны сформированные зачатки клыков. У самого маленького образца десны были абсолютно пустыми.

В-третьих, состояние посткраниального скелета (костей туловища и конечностей). Кости таза, позвоночника и лап находились в разрозненном состоянии, а концы крупных костей не окостенели, оставаясь хрящевыми. Такая анатомическая структура не способна удерживать вес животного и обеспечивать передвижение по земле.

Все эти факты в сочетании со свернутой позой подтвердили: животное погибло и окаменело внутри яйца. Отсутствие скорлупы на сканограммах объясняется ее химическим составом. Оболочка была не минерализованной (кальциевой), а мягкой и кожистой. Подобные ткани крайне редко сохраняются в палеонтологической летописи, быстро разлагаясь после гибели зародыша или вылупления.

Размер яйца и стратегия выживания

Доказательство существования яйца позволило ученым перейти к следующему этапу — расчету его физических характеристик. Основываясь на границах, которые очерчивал свернутый скелет эмбриона, палеонтологи вычислили минимальный размер яйца. Его объем составил около 115 кубических сантиметров, а масса — около 115 граммов (при расчете плотности, равной плотности воды).

Для нептичьего синапсида таких габаритов это очень крупное яйцо. В биологии существует прямая зависимость между размером яйца и степенью развития детеныша. Крупное яйцо вмещает большой объем питательного желтка. Это позволяет эмбриону дольше развиваться внутри оболочки. В результате детеныш рождается на продвинутой стадии формирования. Он зрячий, покрыт чешуей или кожей, его скелет достаточно тверд для самостоятельного передвижения, а челюсти готовы к переработке твердой пищи.

Более крупные и развитые детеныши листрозавров, найденные ранее, подтверждают эту модель поведения: у них уже сросшиеся челюсти и крепкие суставы. Следовательно, листрозавры рождались практически самостоятельными. Им не требовалось длительное нахождение в гнезде под опекой матери.

Главный вывод из этого факта: при такой репродуктивной стратегии самкам листрозавров не было нужно вырабатывать молоко. Все необходимые для развития питательные вещества эмбрион получал из желтка до вылупления.

Климат и эволюция лактации

Почему листрозавры шли по пути создания крупных яиц и самостоятельных детенышей? Ответ лежит в условиях окружающей среды раннего триаса. После глобального вымирания климат на Земле стал крайне засушливым. В таких условиях мягкая кожистая скорлупа подвержена быстрому высыханию. Однако физика термодинамики гласит: чем крупнее геометрический объект, тем меньше отношение площади его поверхности к внутреннему объему. Следовательно, крупное яйцо испаряет влагу медленнее, чем мелкое, что повышает шансы эмбриона на выживание в аридном климате.

Кроме того, в постапокалиптических экосистемах того времени почти не осталось крупных хищников, но была жесткая конкуренция за скудные пищевые ресурсы. В таких условиях рождение крупного, готового к самостоятельному питанию потомства давало виду максимальное конкурентное преимущество.

Эта находка позволяет понять, когда именно в ходе эволюции предки млекопитающих перешли к настоящей лактации. Если мы посмотрим на более поздних предков — например, цинодонтов юрского периода (род Kayentatherium), то увидим совершенно другую картину. В одной из найденных кладок этого вида находилось 38 детенышей. Размер кладки указывает на то, что яйца были очень мелкими.

Мелкое яйцо содержит мало желтка. Из-за этого детеныш не успевает сформироваться и вылупляется на свет слабым, не способным к самостоятельному поиску пищи. Именно на этом эволюционном этапе, чтобы компенсировать нехватку питательных веществ в яйце, древние самки начали кормить потомство секретом своих желез.

Окаменелый эмбрион листрозавра из Южной Африки фиксирует более раннюю, базовую стадию развития синапсид. Он доказывает, что способность откладывать яйца действительно была исходной точкой для нашей эволюционной линии, и показывает, что формирование молочных желез стало ответом на гораздо более позднее уменьшение размеров яиц у следующих поколений.

Источник:PLoS One