Почему жизнь переместилась на сушу? Для просмотра

Древние существа, которые первыми выползли на сушу, возможно, были привлечены информационным преимуществом, которое давало зрение через воздух. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Жизнь на Земле началась в воде. Поэтому, когда первые животные вышли на сушу, им пришлось обменять плавники на конечности, а жабры на легкие, чтобы лучше приспособиться к новой наземной среде обитания.

Новое исследование, опубликованное сегодня, предполагает, что переход к легким и конечностям не рассказывает всю историю трансформации этих существ. Когда они вышли из моря, они получили нечто, возможно, более ценное, чем насыщенный кислородом воздух: информацию. На воздухе глаза могут видеть гораздо дальше, чем под водой. По словам Малкольма Макивера, нейробиолога и инженера из Северо-Западного университета, увеличенный диапазон видимости обеспечил «информационный зиплайн», который предупреждал древних животных об обильных источниках пищи вблизи берега.

Этот зиплайн, утверждает Макайвер, привел к выбору рудиментарных конечностей, что позволило животным совершить свои первые кратковременные вылазки на сушу. Более того, он мог иметь значительные последствия для появления более продвинутого познания и сложного планирования. «Трудно смотреть дальше конечностей и думать, что, возможно, информация, которая плохо фоссилизируется, на самом деле привела нас на сушу», — сказал Макайвер.

Макайвер и Ларс Шмитц, палеонтолог из колледжей Клермонт, создали математические модели, которые исследуют, как увеличение информации, доступной для существ, обитающих в воздухе, могло бы проявиться на протяжении эпох в увеличении размера глаз. Они описывают экспериментальные доказательства, которые они собрали для поддержки того, что они называют гипотезой «buena vista» в Трудах Национальной академии наук.

Работа МакИвера уже заслужила похвалу от экспертов в этой области за ее новаторский и тщательный подход. В то время как палеонтологи долго рассуждали о размере глаз у ископаемых и о том, что это может рассказать нам о зрении животного, «это делает шаг вперед», — сказал Джон Хатчинсон из Королевского ветеринарного колледжа в Великобритании. «Это не просто рассказ историй, основанных на качественных наблюдениях; это проверка предположений и отслеживание больших изменений количественно в течение макроэволюционного времени».

Подводные Охотники

Макивер впервые выдвинул свою гипотезу в 2007 году, изучая черную рыбу-призрак из Южной Америки — электрическую рыбу, которая охотится ночью, генерируя электрические токи в воде, чтобы чувствовать окружающую среду. Макивер сравнивает этот эффект с своего рода радиолокационной системой. Будучи своего рода эрудитом, с интересами и опытом в робототехнике и математике в дополнение к биологии, нейробиологии и палеонтологии, Макивер построил роботизированную версию рыбы-ножа, оснащенную электросенсорной системой, чтобы изучить ее экзотические сенсорные способности и ее необычайно ловкие движения.

Когда МакИвер сравнил объем пространства, в котором рыба-нож потенциально может обнаружить водяных блох, одну из своих любимых жертв, с объемом рыбы, которая полагается на зрение, чтобы охотиться на ту же добычу, он обнаружил, что они примерно одинаковы. Это было удивительно. Поскольку рыба-нож должна вырабатывать электричество, чтобы воспринимать мир — а это требует большого количества энергии — он ожидал, что у нее будет меньший сенсорный объем для добычи по сравнению с рыбой, ориентированной на зрение. Сначала он подумал, что допустил простую ошибку в расчетах. Но вскоре он обнаружил, что критическим фактором, объясняющим неожиданно небольшое визуальное сенсорное пространство, было количество света, которое вода поглощает и рассеивает. Например, в пресной мелкой воде «длина затухания», которую свет может пройти до того, как он будет рассеян или поглощен, составляет от 10 сантиметров до двух метров. В воздухе свет может проходить от 25 до 100 километров, в зависимости от того, сколько влаги в воздухе.

Из-за этого водные существа редко получают большую эволюционную выгоду от увеличения размера глаз, и им есть что терять. Глаза дороги в эволюционном плане, потому что требуют очень много энергии для поддержания; фоторецепторные клетки и нейроны в зрительных областях мозга нуждаются в большом количестве кислорода для функционирования. Поэтому любое увеличение размера глаз должно принести существенные выгоды, чтобы оправдать эту дополнительную энергию. Макивер сравнивает увеличение размера глаз в воде с включением дальнего света в тумане в попытке увидеть дальше вперед.

Но как только вы вынимаете глаза из воды и поднимаете их на воздух, больший размер глаз приводит к пропорциональному увеличению дальности видения.

Макивер пришел к выводу, что размер глаз должен был значительно увеличиться во время перехода из воды на сушу. Когда он рассказал о своей догадке эволюционному биологу Нилу Шубину — члену команды, которая обнаружила Tiktaalik roseae, важную переходную окаменелость возрастом 375 миллионов лет, имевшую легкие и жабры, — Макивер был воодушевлен, узнав, что палеонтологи заметили увеличение размера глаз в ископаемой летописи. Они просто не придали этому изменению особого значения. Макивер решил провести собственное расследование.

Глаза крокодила

У МакИвера была интригующая гипотеза, но ему нужны были доказательства. Он объединился со Шмитцем, который имел опыт в интерпретации глазниц четвероногих «тетрапод» окаменелостей (одним из которых был Тиктаалик), и двое ученых размышляли, как лучше всего проверить идею МакИвера.

Макивер и Шмитц сначала провели тщательный обзор ископаемых, чтобы отследить изменения в размере глазниц, что указывало бы на соответствующие изменения в глазах, поскольку они пропорциональны размеру глазниц. Пара собрала 59 ранних черепов четвероногих, охватывающих период перехода от воды к суше, которые были достаточно целы, чтобы позволить им измерить как глазную орбиту, так и длину черепа. Затем они ввели эти данные в компьютерную модель, чтобы смоделировать, как размер глазниц менялся на протяжении многих поколений, чтобы получить представление об эволюционном генетическом дрейфе этой черты.

Они обнаружили, что действительно наблюдалось заметное увеличение размера глаз — фактически утроение — в течение переходного периода. Средний размер глазницы до перехода составлял 13 миллиметров по сравнению с 36 миллиметрами после. Более того, у тех существ, которые вышли из воды на сушу и вернулись в воду — например, у мексиканской пещерной рыбы Astyanax mexicanus — средний размер глазницы уменьшился до 14 миллиметров, почти как раньше.

Была только одна проблема с этими результатами. Первоначально МакИвер предполагал, что увеличение произошло после того, как животные стали полностью наземными, поскольку эволюционные преимущества возможности видеть дальше на суше привели бы к увеличению размера глазницы. Но сдвиг произошел до того, как был завершен переход из воды на сушу, даже до того, как существа развили рудиментарные пальцы на своих рыбоподобных конечностях. Так как же пребывание на суше могло привести к постепенному увеличению размера глазницы.

В этом случае «похоже, что охота, как крокодил, была наркотиком, открывающим путь к наземному образу жизни», — сказал Макайвер. «Точно так же, как данные предшествуют действию, выход на сушу, вероятно, был связан с тем, как огромный прирост зрительных возможностей от высовывания глаз над водой, чтобы увидеть неиспользуемый источник добычи, постепенно перешел в выбор конечностей».

Это понимание согласуется с работой Дженнифер Клэк, палеонтолога из Кембриджского университета, по ископаемому виду, известному как Pederpes finneyae, который имел самую древнюю известную ногу для ходьбы по суше, но не был по-настоящему наземным существом. Хотя ранние четвероногие были в основном водными, а более поздние четвероногие были явно наземными, палеонтологи полагают, что это существо, вероятно, проводило время в воде и на суше.

Определив, насколько увеличился размер глаз, Макайвер решил подсчитать, насколько дальше животные могли видеть с большими глазами. Он адаптировал существующую экологическую модель, которая учитывает не только анатомию глаза, но и другие факторы, такие как окружающая среда. В воде больший глаз увеличивает дальность видимости только с чуть более шести метров до почти семи метров. Но увеличьте размер глаз в воздухе, и улучшение дальности увеличится с 200 метров до 600 метров.

Макивер и Шмитц провели одну и ту же симуляцию при самых разных условиях: дневной свет, безлунная ночь, звездный свет, чистая вода и мутная вода. «Это не имеет значения», — сказал Макивер. «Во всех случаях прирост [в воздухе] огромен. Даже если они охотились в воде среди бела дня и выходили только в безлунные ночи, это все равно выгодно для них с точки зрения зрения».

Использование количественных инструментов для объяснения закономерностей в палеонтологической летописи — это своего рода новый подход к проблеме, но все больше палеонтологов и биологов-эволюционистов, таких как Шмитц, принимают эти методы.

«Палеонтология в значительной степени изучает окаменелости, а затем выдумывает истории о том, как окаменелости могли вписаться в определенную среду», — сказал Джон Лонг, палеобиолог из Университета Флиндерса в Австралии, изучающий, как рыбы превратились в четвероногих. «В этой статье приведены очень хорошие, надежные экспериментальные данные, проверяющие зрение в разных средах. И эти данные соответствуют закономерностям, которые мы видим у этих рыб».

Шмитц выделил два ключевых события в количественном подходе за последнее десятилетие. Во-первых, все больше ученых адаптируют методы из современной сравнительной биологии к анализу ископаемых, изучая, как животные связаны друг с другом. Во-вторых, существует большой интерес к моделированию биомеханики древних существ таким образом, чтобы это можно было реально проверить — например, чтобы определить, насколько быстро могли бегать динозавры. Такой основанный на моделях подход к интерпретации ископаемых можно применять не только к биомеханике, но и к сенсорной функции — в данном случае он объяснил, как выход из воды повлиял на зрение ранних четвероногих.

«Оба подхода привносят что-то уникальное, поэтому они должны идти рука об руку», — сказал Шмитц. «Если бы я провел анализ [размера глазницы] сам по себе, я бы не понял, что он на самом деле может означать. Глаза действительно увеличиваются, но почему?» Сенсорное моделирование может ответить на этот вопрос количественным, а не качественным образом.

Шмитц планирует изучить другие переходы из воды на сушу в летописи окаменелостей — не только у ранних четвероногих — чтобы посмотреть, сможет ли он найти соответствующее увеличение размера глаз. «Если вы посмотрите на другие переходы из воды на сушу и с суши обратно в воду, вы увидите похожие закономерности, которые потенциально подтверждают эту гипотезу», — сказал он. Например, в летописи окаменелостей морских рептилий, которые в значительной степени полагаются на зрение, также должны быть доказательства увеличения размера глазницы по мере их перехода из воды на сушу.

Новые способы мышления

Опыт Макивера как нейробиолога неизбежно привел его к размышлениям о том, как все это могло повлиять на поведение и познание четвероногих во время перехода из воды на сушу. Например, если вы живете и охотитесь в воде, ваш ограниченный диапазон зрения — примерно на одну длину тела вперед — означает, что вы действуете в основном в том, что Макивер называет «реактивным режимом»: у вас есть всего несколько миллисекунд (эквивалентно нескольким циклам нейрона в мозге), чтобы отреагировать. «Все идет на вас в режиме «точно вовремя», — сказал он. — Вы можете либо есть, либо быть съеденным, и вам лучше принять это решение быстро».

Но для наземного животного способность видеть дальше означает, что у вас гораздо больше времени, чтобы оценить ситуацию и разработать стратегию для выбора наилучшего курса действий, независимо от того, являетесь ли вы хищником или добычей. По словам Макайвера, вероятно, первые наземные животные начали охотиться на наземную добычу реактивно, но со временем те, кто мог выйти за рамки реактивного режима и мыслить стратегически, получили бы большее эволюционное преимущество. «Теперь вам нужно обдумывать несколько вариантов будущего и быстро выбирать между ними», — сказал Макайвер. «Это ментальное путешествие во времени, или перспективное познание, и это действительно важная особенность наших собственных когнитивных способностей».

При этом другие чувства, вероятно, также сыграли свою роль в развитии более продвинутого познания. «Это чрезвычайно интересно, но я не думаю, что способность планировать внезапно возникла только вместе со зрением», — сказала Барбара Финли, эволюционный нейробиолог из Корнеллского университета. В качестве примера она указала на то, как лосось полагается на обонятельные пути, чтобы мигрировать вверх по течению.

Хатчинсон соглашается, что было бы полезно рассмотреть, как многочисленные сенсорные изменения в течение этого критического переходного периода сочетаются друг с другом, а не изучать только зрение. Например, «мы знаем, что обоняние и вкус изначально были связаны в водной среде, а затем разделились», — сказал он. «В то время как слух сильно изменился от водной к наземной среде с эволюцией надлежащего внешнего уха и других особенностей».

Работа имеет значение для будущей эволюции человеческого познания. Возможно, однажды мы сможем сделать следующий эволюционный скачок, преодолев то, что МакИвер в шутку называет «палеонейробиологией человеческой глупости». Люди могут осознавать последствия краткосрочных угроз, но долгосрочное планирование — например, смягчение последствий изменения климата — для нас сложнее. «Возможно, некоторые из наших ограничений в стратегическом мышлении возвращаются к тому, как различные среды благоприятствуют способности планировать», — сказал он. «Мы не можем мыслить в масштабах геологического времени». Он надеется, что такая работа с ископаемыми может помочь выявить наши собственные когнитивные слепые пятна. «Если мы сможем это сделать, мы сможем подумать о способах обхода этих слепых пятен».

Источник: www.quantamagazine.org