Под землёй рождались новые силы эволюции: простое выпрямление тела запустило рост древних исполинов

Вертикальная поза уменьшила нагрузку на конечности древних рептилий — SA

Когда жизнь на Земле только приходила в себя после величайшего массового вымирания, некоторые древние рептилии начали менять то, как они двигались. Они постепенно отказывались от привычной распластанной позы и подтягивали конечности ближе к телу. Это казалось небольшим изменением, но со временем оно сыграло важнейшую роль в формировании гигантских форм жизни, включая динозавров и первых предков современных птиц. Об этом сообщил журнал Science Advances (SA).

Начало прямохождения и его последствия

Исследования показывают, что вертикальное расположение конечностей помогало древним рептилиям обходить ограничения, связанные с ростом. Чем крупнее становилось животное, тем сильнее нагружались его мышцы и кости. Для существ с распластанной позой наступал момент, когда их собственный вес становился препятствием для движения. Выпрямление конечностей позволяло перераспределить нагрузку и открывало путь к увеличению размеров тела.

Ученые использовали компьютерное моделирование, чтобы понять, как поза влияет на силу, с которой задние конечности опираются на землю. Модели показали, что при переходе к более вертикальному положению у аллигаторов нагрузка на их кости и мышцы значительно снижалась. Это биомеханическое преимущество могло стать тем ключом, который позволил крупнейшим представителям древних рептилий расти далеко за пределы размеров обычных ящериц.

Такое понимание механики роста перекликается с другими биологическими исследованиями, например с анализом того, как у некоторых млекопитающих разные участки тела испытывают разную нагрузку по мере увеличения массы. Эти процессы напоминают наблюдения за тем, как слоны выбирают свои маршруты, стремясь минимизировать затраты энергии — стратегия, имеющая параллели и в эволюционной адаптации позы.

Что рассказывают современные аллигаторы

Чтобы проследить истоки эволюционных изменений, исследователи обратились к американским аллигаторам. Они принадлежат к древней линии архозавров, от которой произошли динозавры, крокодилы и птицы. Аллигаторы дают редкую возможность изучить то, как могла работать мускулатура и костная система ранних рептилий.

С помощью моделей специалисты проанализировали движения задних конечностей у аллигаторов разных возрастов. Нагрузка на бедренную кость увеличивалась по мере роста животных, но при более вертикальной позе она заметно уменьшалась. Это ещё раз подтверждало: смена положения конечностей могла быть важнейшим фактором эволюционного успеха.

Соавтор исследования, профессор эволюционной биомеханики Джон Хатчинсон, отметил:

"Вымершие животные часто отличались по форме и размеру от ныне живущих. Наука может косвенно проверить, как эти формы и размеры влияли на передвижение и чем оно отличалось от передвижения ныне живущих родственников", — сказал профессор эволюционной биомеханики Джон Хатчинсон.
"Таким образом, мы можем узнать больше о фундаментальных принципах передвижения, чем мы можем, просто изучая живых животных", — добавил он.

Эти наблюдения помогают реконструировать, как именно древние гиганты могли передвигаться по суше.

Модель древнего хищника

Чтобы проверить, насколько универсальны выявленные принципы, исследователи создали биомеханическую модель Deinosuchus riograndensis — массивного аллигатороида эпохи позднего мела. Его масса превышала три тонны, что делало его в три раза тяжелее самых крупных современных морских крокодилов.

Моделирование показало, что такие гиганты, вероятно, не могли полностью отрывать брюхо от земли при движении. Их собственный вес приводил к тому, что они сохраняли энергию на суше, передвигаясь медленно, но уверенно, а активность проявляли преимущественно в воде, где плавучесть компенсировала массу. Это демонстрирует пределы, до которых может развиваться биомеханика позвоночных.

Как поза изменила эволюцию

Продолжая анализ, команда пришла к выводу: когда рептилии достигали массы современных крупных аллигаторов — нескольких сотен килограммов — нагрузка на их кости возрастала настолько, что дальнейший рост становился невозможен без смены позы. Именно вертикальное расположение конечностей обеспечило эволюционное преимущество архозаврам, позволив им занять разнообразные экологические ниши.

Доктор Масая Иидзима, ведущий автор исследования, отметил:

"Мы много лет изучали современных аллигаторов, проводя эксперименты и моделирование, чтобы исследовать эволюцию положения конечностей и его функциональные последствия", — сказал доктор Масая Иидзима.
"Чтобы глубже изучить эволюционную связь между положением конечностей и размером тела у четвероногих позвоночных, мы планируем проанализировать ископаемые останки, в том числе скелеты и следы, чтобы выявить закономерности их эволюции", — добавил Иидзима

Такие данные могут объяснить, когда и как часто рептилии переходили к прямохождению. Поворотный момент мог принести невероятные преимущества видам, которые позже станут доминировать на Земле.

Наследие новых форм движения

История позвоночных показывает, что все крупные организмы однажды сталкиваются с пределами собственной биологии: мышцы способны генерировать ограниченное усилие, а кости выдерживают лишь определённую нагрузку. Понимание этих граней помогает объяснить, почему одни линии рептилий становились огромными, а другие оставались небольшими.

Соавтор исследования, профессор Ричард Блоб, подчеркнул:

"Гигантские размеры тела предъявляют к организмам экстремальные требования, но за всю историю Земли они всё равно эволюционировали несколько раз", — отметил профессор Ричард Блоб.

Понимание того, как организмы выживают в экстремальных условиях, — мощный инструмент для изучения факторов, ограничивающих биоразнообразие. Подобные нашему биомеханические анализы могут дать представление о том, как организмы преодолевают эти границы, и помочь объяснить, почему мы видим такое разнообразие форм тела, как сегодня.

Эти выводы перекликаются с современными биологическими наблюдениями, включая то, как большие животные распределяют нагрузку между конечностями, что изучается и в примерах, связанных с узорами на носу собаки, где вариации форм и структуры оказываются важным фактором биологического разнообразия.

Сравнение: древние рептилии и современные крупные животные

Рост организмов ограничивается законами механики. Древние рептилии решали проблему через изменение позы, а современные крупные млекопитающие — через перераспределение нагрузки и развитие мощных мышц. Рептилии использовали вертикальную постановку конечностей, в то время как, например, слоны опираются на массивные колонные ноги. Сходство заключается в оптимизации веса, но путь адаптации у разных групп развивался по-своему.

Плюсы и минусы вертикальной позы

Переход к вертикальному положению ног мог сыграть решающую роль в эволюции крупных форм жизни. Однако такая адаптация имела и преимущества, и ограничения.

Плюсы:
• снижение нагрузки на кости;
• возможность увеличивать массу тела;
• большая устойчивость при движении;
• повышение эффективности шага.

Минусы:
• увеличение затрат энергии в молодом возрасте;
• рост зависимости от прочности костей и сухожилий;
• слабая подвижность в некоторых положениях;
• ограничение манёвренности при резких поворотах.

Советы для изучения биомеханики крупных животных

Для глубокого понимания роста организмов важно сочетать анализ ископаемых данных с моделированием. Исследователям рекомендуется изучать движения современных крупных рептилий, сопоставлять нагрузку на кости и особенности работы мышц, а также учитывать влияние позы на устойчивость тела. Такая комбинация методов помогает точнее реконструировать поведение древних животных и оценивать пределы, в которых они могли существовать.