Щоб краще тебе бачити: навіщо життя вийшло з води на сушу?

Життя на Землі почалася в воді. Тому коли перші тварини вийшли на сушу, їм довелося розміняти свої плавники на кінцівки, а зябра на легкі, щоб краще адаптуватися до нової земної середовищі. Днями з'явилося нове дослідження, яке показало, що перехід до легким і кінцівкам не розкриває повної картини трансформації цих істот. Коли вони вийшли з моря, вони отримали щось, можливо, навіть більш цінне, ніж насичений киснем повітря: інформацію. В повітрі очі можуть бачити набагато далі, ніж під водою. За словами Малколма Маківер, невролога та інженера з Північно-західного університету, збільшена дальність видимості забезпечувала тварин додатковою інформацією про багатих джерелах їжі поблизу берега.

У Маківер була цікава гіпотеза, але він шукавдокази. Тому він об'єднався зі Шмітц, який мав досвід в інтерпретації очних осередків чотириногих скам'янілих «тетрапод» (одним з яких був тіктаалік), і двоє вчених задумалися над тим, як краще за все перевірити ідею Маківер.

Спершу Маківер і Шмітц ретельно проаналізувалилітопис скам'янілостей, щоб виявити зміни розмірів очних западин, які вказують на відповідні зміни в очах, оскільки вони пропорційні розмірам западин. Вчені зібрали 59 черепів перших чотириногих, що мали місце в перехідний період між водою і сушею, які були досить цілі, щоб можна було виміряти як очну орбіту, так і довжину черепа. Потім вони завантажили ці дані в комп'ютерну модель, щоб екстраполювати зміна розміру очниці на багато поколінь і отримати уявлення про еволюційний генетичному дрейфі цю особливість.

З'ясувалося, що помітне зростання розміру очейдійсно спостерігався - в три рази, по суті - під час перехідного періоду. Середній розмір очної западини перед переходом був 13 міліметрів, а після - 36 міліметрів. Крім того, у тих істот, які вийшли з води на сушу і повернулися в воду - на зразок мексиканської печерної риби Astyanax maxicanus, - середній розмір очної орбіти скоротився до 14 міліметрів, тобто практично повернувся до колишнього стану.

У цих результатів була одна проблема. Спочатку Маківер припускав, що збільшення відбулося після того, як тварини стали повністю сухопутними, оскільки еволюційні переваги далекого зору на суші привели б до збільшення розміру очниці. Але зрушення відбулося до того, як завершився перехід з води на сушу, навіть до того, як істоти розвинули рудиментарні кінцівки на своїх рибних придатках. Як же перебування на суші могло підштовхнути поступове збільшення в розмірі очної орбіти?

Коли Маківер і Шмітц проаналізували дані порозміром очей в скам'янілої літописі, вони помітили, що орбіти міняли становище в ході перехідного періоду, зміщувалися з бічних частин черепа наверх, де закріплювалися в кісткових виступах. Також вони помітили крихітні розрізи біля вушної області - дихальця - які допомагали чотириногим дихати повітрям. Коротше кажучи, ці створення стали нагадувати крокодилів. Раптово все стало на свої місця.

«Я не очікував, що ці істоти могли використовуватиповітряне зір, залишаючись все ще водоплавними », говорить Маківер. «Я припускав, що повітряне зір одно перебуванню на суші». Це не так. Швидше, перехідні чотириногі повинні були полювати як крокодили, що ховаються в мілководді на березі, коли лише очі визирають над поверхнею в пошуках смачної видобутку.

В такому випадку, «схоже, полювання, подібнокрокодилячої, була шлюзом на сушу », говорить Маківер. «Точно так само, як дії передує інформація, поява на суші, ймовірно, пояснювалося величезним виграшем в набутті зору за рахунок стирчать над водою очей, які можуть бачити незайманий джерело видобутку, а слідом за цим знаходилися і кінцівки».

Ця думка узгоджується з роботою Дженніфер Клак,палеонтолога з Кембриджського університету, яка відома копалиною Pederpes finneyae - це найдавніша з відомих «ніг, призначених для прогулянок по суші», яка при цьому не була повністю сухопутної. Хоча ранні чотириногі були переважно водними, а пізніше чотириногі стали явно сухопутними, палеонтологи вважають, що це істота проводило час і в воді, і на суші.

Визначивши, наскільки збільшилися розміри очей,Маківер вирішив розрахувати, наскільки далі тварини могли бачити великими очима. Він адаптував існуючу екологічну модель, яка враховує не тільки анатомію очей, але і інші чинники, такі як навколишнє середовище. У воді більший очей тільки збільшує візуальний діапазон від трохи більше шести метрів до майже семи метрів. Але щоб збільшити розмір очей в повітрі - і поліпшення виросте від 200 до 600 метрів.

Маківер і Шмітц проводили один і той жемоделювання в самих різних умовах: денне світло, безмісячна ніч, зоряне світло, чиста вода і навіть каламутна вода. «Не має значення, - говорить Маківер. - У всіх випадках приріст в повітрі був величезний. Навіть якщо вони полювали серед білого дня в воді і виходили тільки в безмісячні ночі, це все одно було їм вигідно, з позиції зору ».

Використання кількісних інструментів дляпояснення закономірностей в літописі скам'янілостей представляє абсолютно новий підхід до проблеми. Все більше палеонтологів і еволюційних біологів начебто Шмітца використовують ці методи.

«Палеонтологія - це багато в чому вивченняскам'янілостей з подальшим складанням описів того, як ці скам'янілості могли б вписатися в певне середовище », говорить Джон Лонг, палеобіолог з Університету Флиндерса в Австралії, який вивчає, як риба еволюціонувала в чотириногих. «Ця стаття містить дуже хороші експериментальні дані, що дозволяють тестувати зір в різних середовищах. І ці дані відповідають тим схемам, які ми бачимо на прикладі цих риб ».

Шмітц виділив дві ключові події вкількісному підході, які відбулися за останні десять років. По-перше, все більше вчених адаптують методи сучасної порівняльної біології до аналізу копалин записів, вивчаючи взаємозв'язок тварин один з одним. По-друге, є великий інтерес до моделювання біомеханіки древніх істот таким чином, який насправді можна перевірити - щоб визначити, як швидко могли бігати динозаври, наприклад. Такий модельний підхід до інтерпретації скам'янілостей може бути застосований не лише до біомеханіки, але і до сенсорної функції - в даному випадку пояснити, як вихід з води вплинув на зір перших чотириногих.

«Обидва підходи привносять щось унікальне, томуповинні йти рука об руку », говорить Шмітц. «Якби я провів аналіз очної орбіти самої по собі, я б не зрозумів, що це означає насправді. Очі стали більше, але чому? ». Сенсорне моделювання може відповідати на ці питання якісно, ​​а не кількісно.

Шмітц планує дослідити інші переходи зводи на сушу в літописі скам'янілостей - не тільки на прикладі перших чотириногих - щоб пошукати відповідні збільшення в розмірах очей. «Якщо ви подивитеся на інші переходи між водою і сушею, між сушею і знову водою, ви побачите схожі картини, які потенційно могли б підтвердити цю гіпотезу», говорить він. Наприклад, скам'янілості морських рептилій, які сильно покладаються на зір, теж можуть продемонструвати збільшення очної орбіти в міру їх виходу на сушу.

Мислити по-новому

Досвід Макгівера-невролога неминуче змушував йогозадуматися над тим, як все це могло вплинути на поведінку і когнітивні здібності чотириногих при переході з води на сушу. Наприклад, якщо ви живете і полюєте в воді, ваша обмежена дальність зору - приблизно на одну довжину тіла вперед - означає, що ви живете в «реактивному режимі»: у вас є всього кілька мілісекунд на реакцію. Все зводиться до однієї схемою. Ви або з'їсте, або будете з'їдені, і краще приймати рішення швидко.

Але для наземного тваринного здатність бачитидалі означає, що у нього є набагато більше часу, щоб оцінити ситуацію і виробити кращу стратегію дій, якщо буде хижаком або жертвою. На думку Маківер, ймовірно, перші наземні тварини почали полювання на наземну видобуток реактивно, але з часом ті, які могли вийти за рамки реактивного режиму і навчилися мислити стратегічно, отримали еволюційну перевагу. «Тепер вам доводиться оцінювати кілька майбутніх результатів і швидко вибирати між ними, - говорить учений. - Це уявна подорож у часі, яке стало важливою частиною наших власних пізнавальних здібностей ».

Інші почуття, ймовірно, теж зігралипевну роль у розвитку більш розвиненого свідомості. «Це надзвичайно захоплююче, але я не думаю, що здатність планувати раптово з'явилася тільки завдяки зору», говорить Барбара Фінлей, еволюційний нейрофізики з Корнельського університету. Як приклад вона вказує на те, як лосось покладається на нюх під час міграції вгору за течією.

Хатчінсон погоджується з тим, що було б кориснорозглянути, як багато сенсорні зміни протягом цього критичного перехідного періоду поєднуються один з одним, а не вивчати одне тільки зір. Наприклад, «ми знаємо, що запах і смак спочатку були пов'язані в водному середовищі, а потім розділилися», говорить він. «Але слух сильно змінився при переході від водної до сухому середовищі, разом з розвитком правильного зовнішнього вуха і інших особливостей».

Ця робота має наслідки для майбутньої еволюціїлюдського пізнання. Можливо, одного разу ми зможемо зробити черговий еволюційний стрибок, подолавши то, що Маківер жартома називає «палеоневрології людської дурості». Люди в силах зрозуміти наслідки короткострокових загроз, але довгострокове планування - наприклад, пом'якшення наслідків змін клімату - ми практично не переварюємо. «Можливо, ряд наших обмежень в стратегічному мисленні сходить до того, як різні умови впливають на планування», говорить він. «Ми не можемо мислити в геологічних тимчасових масштабах».

Його робота може допомогти нам ідентифікувати власні сліпі плями.