Поясница жирафов и бегемотов потеряла гибкость из-за отказа от прыжкового бега и большого веса хозяина

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Anatomy. Млекопитающие имеют уникальную черту — их поясничный отдел позвоночника способен сгибаться в сагиттальной плоскости, то есть той, что делит тело на правую и левую половины. Яркий пример — то, как кошка выгибает спину. Вертикальная подвижность (то есть подвижность как раз в сагиттальной плоскости) между позвонками связана с адаптацией млекопитающих к специфическому типу бега — галопу, при котором за счет вертикальных изгибов позвоночника увеличивается длина шага как задних, так и передних конечностей.

Исследователи из Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН (Москва) и Палеонтологического института имени А. А. Борисяка РАН (Москва) изучили строение позвоночника млекопитающих и пришли к выводу, что пояснично-крестцовый сустав у многих копытных сильно отличается по строению и подвижности от других суставов позвоночника. Проанализировав его особенности у более чем семидесяти видов парнокопытных животных, ученые показали, что строение этого сустава ключевым образом влияет на подвижность спины в целом.

Оказалось, что амплитуда его вертикальной подвижности у представителей отряда копытных различается в семь раз (от 4,5 до 31 градуса). У маленьких и средних, например зебр и газелей, пояснично-крестцовый сустав в 3–4 раза более подвижный, чем другие поясничные суставы. При этом у животных одинакового размера его подвижность также может значительно отличаться. Ученые выяснили, что это связано с формой бега.

Известный биомеханик П. П. Гамбарян предложил классификацию способов галопа млекопитающих. Согласно ей, большинство мелких и средних копытных используют две формы галопа: скоростную и прыжково-скоростную. В первом случае животное набирает скорость за счет увеличения частоты шагов; такой галоп характерен для лошадей, северных оленей и сайгаков. При прыжково-скоростной форме бега увеличение длины шагов происходит за счет длинных прыжков. Оба способа позволяют парнокопытным, например антилопам и газелям, развивать довольно высокую скорость, до 80–90 км/ч.

Парнокопытные с самыми высокими и самыми низкими амплитудами сагиттальной гибкости в пояснично-крестцовом суставе / ©Belyaev et al. / Journal of Anatomy, 2022

В результате настоящего исследования удалось показать, что у видов, адаптированных к прыжково-скоростной форме бега, подвижность в пояснично-крестцовом суставе в среднем в полтора раза выше, чем у видов, адаптированных к скоростной форме. Однако такие формы бега доступны лишь для мелких и средних копытных. Анализ способов передвижения различных копытных животных показал, что вес в 200–400 килограммов является верхней границей для прыжковых форм бега. При увеличении размеров парнокопытные переходят к более экономичным формам галопа, таким как полутяжелая форма бега, характерная, например, для современных быков.

Галоп некоторых парнокопытных: северный олень (a), сайгак (b), личи (c) и газель Томсона (d). Фотографии любезно предоставлены Кевином Лисота, Николаем Денисовым, Okavango Horse Safaris, Полом Соудерсом (WorldFoto) / ©Belyaev et al. / Journal of Anatomy, 2022

Одновременно с отказом от прыжковых форм бега эти животные в значительной степени утрачивают и вертикальную гибкость спины. В результате у самых больших и тяжелых парнокопытных — бегемотов и жирафов — она низкая на протяжении всей поясницы, и пояснично-крестцовый сустав не выделяется на фоне соседних суставов. Авторы связывают это с тем, что у наиболее крупных копытных подвижность поясничного отдела спины и пояснично-крестцового сустава сильно ограничена из-за особенностей процесса роста. При экстремальном увеличении размеров копытные могут и вовсе отказываться от галопа, как это делают гиппопотамы, или даже потерять способность к передвижению без постоянной опоры на субстрат, как это происходит у слонов.

«В данном исследовании мы изучили амплитуду подвижности пояснично-крестцового сустава почти у 80 видов парнокопытных. Размер этих животных находится в диапазоне всего от нескольких килограмм до нескольких тонн. Мы выяснили, что подвижность в пояснично-крестцовом суставе определяется, в основном, формой бега и весом тела животного. Мы планируем продолжить исследование на еще более широком наборе видов», — рассказывает один из авторов статьи Руслан Беляев, научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН.