Кожный скелет плавников помог создать конечности наземных позвоночных

Еще до формирования пальцев в конечностях четвероногих сеть кожных лучей парных плавников у некоторых лопастеперых упрощалась, число этих лучей уменьшалось, а верхняя сторона плавника приобретала отличия от нижней, сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences. Эти преобразования облегчили древним позвоночным передвижение по илистому субстрату и стали важным этапом на пути к образованию многопалых конечностей четвероногих.

Строение позвоночных при их выходе на сушу сильно изменилось, и едва ли не больше всего модификаций претерпели их конечности. Если у рыб это плавники со множеством костных и кожных лучей, то у четвероногих (это общее название для всех наземных позвоночных, включая птиц) в составе конечностей лучей нет, а есть пальцы.

При изучении эволюции конечностей чаще всего обращают внимание на костные лучи в составе плавников лопастеперых рыб — предполагаемых предков тетрапод. Кожные лучи исследуют далеко не так подробно. Они хуже сохраняются, и порой их даже удаляют с ископаемых остатков, чтобы лучше были видны костные элементы плавников.

Плавник тиктаалика. Оранжевым показаны дорсальные лучи (на спинной стороне), голубым — вентральные (на брюшной стороне)

Палеонтологи из Чикагского университета, Висконсинского университета в Парксайде и Дрексельского университета во главе с Нилом Шубиным (Neil Shubin), напротив, решили сравнить детали строения кожных лучей плавников животных, близких к первым тетраподам. Для этого они применили компьютерную микротомографию.

Ученые сделали серии виртуальных срезов грудных плавников останков взрослых особей и молоди Sauripterus taylori, Eusthenopteron foordi и Tiktaalik roseae. Эти виды относят к тетраподоморфам — группе, которая включает в себя предполагаемые переходные формы от лопастеперых рыб к четвероногим (и самих четвероногих тоже). Sauripterus считается наиболее древним и примитивным из трех, Tiktaalik — наиболее продвинутым и похожим на тетрапод.

Исследованные виды в представлении художника. Сверху вниз: Sauripterus taylori, Eusthenopteron foordi, Tiktaalik roseae. Оранжевым отмечены дорсальные лучи грудных плавников, голубым — вентральные

Исследователи сосредоточились на взаимном расположении кожных и костных лучей грудных плавников. Они определяли, как эти лучи расположены по отношению к костным, оценивали их число и длину.

Оказалось, что чем ближе вид к четвероногим, тем меньше в его грудных плавниках кожных лучей. Что еще интереснее, кожные лучи дорсальной (спинной) и вентральной (брюшной) сторон этих плавников имеют неодинаковую длину и в разной степени «накладываются» на костные лучи. Эта асимметрия наиболее выражена у тиктаалика, и по ней авторы предположили, что это животное имело функциональное подобие ладоней, то есть нижняя сторона грудного плавника несла на себе много мышц.

Вероятно, мышцы «ладони» тиктаалика помогали ему отталкиваться от илистого дна мелких водоемов, где он, предположительно, обитал, и даже совершать короткие перемещения по суше. Ранее асимметрию дорсальной и вентральной сторон парных плавников у тех, кто еще не вышел на сушу и не имел пальцев, подробно не исследовали.

У современных донных костистых рыб тоже есть различия в устройстве лучей с разных сторон грудного плавника. Это важно, поскольку конечности тех, кто держится близко к дну, испытывают сходные нагрузки с плавниками тех, кто пытается передвигаться по суше или в очень неглубокой воде. Всем таким рыбам необходимо отталкиваться от твердого субстрата, а в этом могут помочь мышцы на вентральной стороне плавника. Авторы напоминают, что это надо учитывать при изучении выхода позвоночных на сушу, поэтому ограничиваться рассмотрением только костных лучей плавников тетраподоморф неправильно.

В 2016 году Нил Шубин и коллеги показали, что за формирование лучей в плавниках костистых рыб отвечают те же гены, что и за образование пальцев у четвероногих. Они предположили, что пальцы наземных позвоночных образуются из тех же структур, из которых у рыб появляются плавниковые лучи. Тогда эксперименты проводили на ныне живущей рыбке данио-рерио.