Двигатель эволюции: как глаза помогли рыбам выбраться на сушу

Жизнь на Земле началась в воде. Поэтому, когда первые существа вышли на сушу, им пришлось сменить плавники на конечности, а жабры на легкие – это помогло им адаптироваться к новой среде. Однако это далеко не полная картина трансформации земной жизни. Ведь первые сухопутные существа вместе с воздухом обрели доступ к большему количеству информации – это открыло новые горизонты для развития способностей к познанию.

Новое исследование показывает, что, покинув океан, первые сухопутные существа обрели нечто более ценное, чем насыщенный кислородом воздух – информацию. Малколм Макивер, невролог из Северо-западного университета, утверждает, что таким образом древние животные начали получать больше информации об источниках пищи – ведь в воздухе глаза видят намного дальше, чем под водой.

Расширение зоны видимости определило появление простейших конечностей, которые позволили животным совершать первые короткие вылазки на сушу. Кроме того, новые возможности могли оказать влияние на развитие когнитивных способностей и даже научить наших далеких предков комплексному планированию.

Макивер и Ларс Шмитц, палеонтолог из Кларемонтского колледжа, создали математические модели, которые показывают, как увеличение количества информации, доступной для обитателей суши, проявлялось в увеличении размера глаз. Экспериментальные данные, накопленные учеными, поддерживают их гипотезу «buena vista» («хорошей видимости»).

Работа ученых заслужила похвалы экспертов за инновационный и скрупулезный подход.

«Палеонтологи долго размышляли о размере глаз в окаменелостях и о том, что это может сказать о зрении животных,но эта работа оказалась на шаг дальше,» – говорит Джон Хатчинсон из Королевского ветеринарного колледжа в Великобритании. «Это не просто сказки, основанные на истории качественных наблюдений, это проверка гипотезы и отслеживание большого числа количественных изменений за макроэволюционное время».

Подводные охотники

Гипотеза «хорошей видимости» пришла в голову МакИверу в 2007 году, когда он изучал черную ножетелку – электрическую рыбу, которая охотится по ночам, создавая электрические токи в воде, чтобы почувствовать ее среду. Это похоже на радарную систему. Используя знания в области робототехники и математики, биолог и палеонтолог МакИвер построил роботизированную версию ножетелки. Он оснастил рыбу электросенсорной системой, чтобы изучить ее экзотические способности восприятия и необычайно разнообразные движения.

МакИвер сравнил объемы пространства, в которых ножетелки и обычные рыбы, полагающиеся только на органы зрения, способны обнаружить дафнию – их любимое лакомство. Оказалось, что они примерно одинаковы. Это было удивительно. Для того, чтобы ножетелка сгенерировала электричество, требуется много энергии. Поэтому МакИвер ожидал, что у электрической рыбы будет меньший сенсорный объем для охоты, чем у рыбы, которая ориентируется с помощью зрения. Сначала он подумал, что допустил вычислительную ошибку. Но вскоре он обнаружил, что критическим фактором, обусловливающим неожиданно малое сенсорное пространство у «зрячей» рыбы, было количество света, которое вода поглощает и рассеивает. Например, на мелководье свет может пройти от 10 сантиметров до двух метров, прежде чем его поглотит или рассеет вода. В воздухе свет проходит от 25 до 100 километров в зависимости от влажности.

По этой причине обитатели водной среды редко получают эволюционную выгоду от увеличения размера глаз. В эволюционном плане глаза – очень дорогое приспособление, так как их работа требует много энергии. Фоторецепторные клетки и нейроны в зрительных областях мозга нуждаются в большом количестве кислорода. Поэтому любое изменение размера глаз должно быть оправданным. Увеличивать глаза в воде – это все равно что включать в тумане дальний свет вместо противотуманных фар. Но если выйти из воды, увеличение размеров органов зрения пропорционально увеличит дальность видимости.

МакИвер пришел к выводу, что размер глаз значительно увеличивается при переходе от воды к суше. Ранее палеонтологи замечали увеличение размера глаз в окаменелостях, но не придавали большого значения этой перемене. МакИвера заинтересовало это явление.

Взгляд крокодила

У МакИвера была интригующая гипотеза, но он нуждался в доказательствах. Он объединился с Шмитцем, который разбирался в устройстве глаз четвероногих окаменелостей (тетрапод) – среди них были первые крокодилы. Ученые решили использовать количественные данные, чтобы проверить гипотезу. Они собрали 59 черепов ранних тетрапод, охватывающих переходный период между водой и сушей, и измерили глазную орбиту и длину черепа. Затем по этим данным они создали компьютерную модель, которая имитировала изменение размера глазницы на протяжении многих поколений, чтобы получить представление об эволюционном генетическом дрейфе этой черты.

Они обнаружили, что, действительно, в течение переходного периода глаза тетрапод увеличились почти в три раза. Средний размер орбиты глаза до перехода был 13 миллиметров, а после перехода – 36 миллиметров. У существ, которые в процессе эволюции вернулись обратно в воду – таких как мексиканская пещерная рыба Astyanax mexicanus – средний размер орбиты сократился до 14 миллиметров, став почти таким же, как прежде.

С этими результатами была только одна проблема. Первоначально МакИвер предположил, что увеличение размера глаз произошло после того, как животные стали полностью земными, поскольку эволюционные преимущества дальнозоркости на суше привели бы к увеличению размера глазницы. Но сдвиг произошел до того, как переход был завершен – у этих существ даже не успели появиться зачатки пальцев на рыбьих придатках.

Строение черепов помогло ученым разобраться. На черепах тетраподов возле области уха располагались крошечные надрезы – дыхальца, которые помогали животным дышать в непривычной воздушной среде. Кроме того, орбиты глаз существенно сдвинулись с боков черепа к верху. Оказалось, что эти существа первоначально охотились как крокодилы: они выглядывали из воды, высматривая жертву.

Ранние тетраподы, похоже, охотились как крокодилы, выглядывая из воды

«Я не ожидал, что эти существа использовали воздушное зрение, будучи все еще водными», – говорит МакИвер. «Я предполагал, что воздушное зрение равносильно обитанию на суше. Это не так. Скорее всего, переходные четвероногие охотились, прячась в мелководье на берегу.

Определив, насколько увеличились размеры глаз, МакИвер решил рассчитать, насколько дальше животные смогли видеть в новой среде. Увеличение глаз в воде увеличивает зрительный диапазон от чуть более шести метров до почти семи метров. Но увеличьте размер глаз в воздухе – и дальность зрения возрастет от 200 метров до 600 метров. Ученые проверяли свои данные в самых разных условиях: дневной свет, безлунная ночь, звездный свет, чистая вода и темная вода. Оказалось, что прирост огромен во всех случаях – даже если животные охотились среди бела дня в воде и выходили только в безлунные ночи.

Все больше палеонтологов и эволюционных биологов используют моделирование на основе количественных данных. Шмитц выделил два ключевых события в количественном подходе за последнее десятилетие. Во-первых, все больше ученых адаптируют методы современной сравнительной биологии к анализу летописи окаменелостей, изучая взаимосвязь животных друг с другом. Во-вторых, палеонтологи пытаются моделировать биомеханику древних существ, чтобы определить, к примеру, насколько быстро бегали динозавры.

Модель Tiktaalik roseae – переходной формы, живущей на Земле 375 миллионов лет назад. У нее была шея – неслыханная для рыбы – а также легкие и жабры.

Количественные данные помогают понять не только биомеханику, но и сенсорные функции. В этом случае удалось выяснить, как выход из воды мог повлиять на зрение первых амфибий. Шмитц планирует исследовать другие переходы вода-земля в летописи окаменелостей, чтобы найти соответствующее увеличение размера глаз.

Новые способы мышления

Опыт невролога неизбежно заставлял МакИвера задуматься, как изменение зоны видимости могло повлиять на поведение и способности четвероногих к познанию при переходе от воды к земле. Представьте, что вы живете и охотитесь в воде. Ваша зона видимости составляет всего одну длину вашего тела. В этих условиях вам придется действовать в «реактивном режиме»: у вас есть всего несколько миллисекунд (что эквивалентно нескольким циклам нейронов в мозге), чтобы правильно отреагировать на импульс.

«Либо вы съедите добычу, либо вас самих съедят. В воде лучше принимать решения быстро», – рассказывает МакИвер.

Для наземного животного способность видеть дальше означает, что у него есть гораздо больше времени, чтобы оценить ситуацию и выработать стратегию – неважно, хищник это или жертва. МакИвер предполагает, что первые наземные животные по эволюционной привычке начали охотиться реактивно, но со временем те, которые научились стратегически мыслить, получили большее эволюционное преимущество.

«Теперь от вас требуется продумать несколько вариантов действий и быстро сделать выбор», – говорит ученый. «Это важная особенность наших собственных познавательных способностей».

Тем не менее, другие чувства также сыграли определенную роль в развитии более продвинутых когнитивных способностей. Барбара Финлей, эволюционный нейрофизик из Корнелльского университета, указывает, что лосось при миграции вверх по течению полагается на обоняние. Хатчинсон с ней солидарен: необходимо исследовать, как менялись другие органы чувств во время перехода на сушу.

«Мы знаем, что запах и вкус вначале были связаны в водной среде, а затем разделились», – говорит Хатчинсон. «Слух также сильно изменился при переходе на сушу с развитием внешнего уха и других приспособлений».

Работа имеет последствия для будущей эволюции человеческого познания. Возможно, однажды мы сможем сделать следующий эволюционный скачок, преодолев то, что Макиндж шутливо называет «палеоневрологией человеческой глупости». Люди могут понять последствия краткосрочных угроз, но долгосрочное планирование – например, смягчение последствий Изменения климата – нам сложнее перерабатывать. «Возможно, некоторые из наших ограничений в стратегическом мышлении возвращаются к тому, как различные условия способствуют планированию», – сказал он. «Мы не можем думать о геологических временных масштабах». Он надеется, что Такая работа с летописью окаменелостей может помочь выявить наши собственные когнитивные слепые пятна. «Если мы сможем это сделать, мы можем подумать о том, как обойти эти слепые пятна».

Оригинал статьи