Когда лошади или гепарды чувствуют потребность в скорости, они переходят на аллюр, известный как галоп. Кролики привязаны. Некоторые водные животные передвигаются с помощью форм локомоции, основанных на использовании плавников, известных как костыли или удары. Все эти движения особенные - левая и правая лапы или плавники расположены неравномерно друг от друга.
Не все животные полагаются на такие движения, чтобы быстро передвигаться. Однако так называемые асимметричные походки не являются новшеством среди позвоночных, сообщили ученые 8 марта в Journal of Experimental Biology. Исследователи проанализировали наблюдения за движениями сотен видов и пришли к выводу, что несимметричные походки могли впервые появиться у древних рыбообразных животных еще до того, как позвоночные вышли на сушу. Полученные результаты позволяют предположить, что различные группы животных приобретали и теряли способность использовать асимметричные походки на протяжении всей истории позвоночных.
Хотя было "более или менее" известно, что сухопутные животные независимо развили эти движения, "идея о том, что эта способность является древней для челюстных рыб, является относительно новой и интригующей", - сказал Джон Хатчинсон, профессор эволюционной биомеханики в Королевском ветеринарном колледже Hawkshead Campus в Хатфилде, Англия, который не участвовал в исследовании, в электронном письме.
Когда животное ходит или рысит, оно двигает конечностями по регулярной, равномерной схеме, известной как симметричная походка. Чтобы передвигаться быстрее, многие животные могут переходить на асимметричную походку, говорит Эрик МакЭлрой, профессор биологии из колледжа Чарльстона в Южной Каролине и соавтор результатов исследования. Один из классических примеров - галоп лошади.
При галопе все четыре ноги ударяются о землю в разное, неравномерно распределенное время, пишут в своей работе Макэлрой и его соавтор Майкл Гранатоски из Нью-Йоркского технологического института в Олд-Уэстбери. Млекопитающие - не единственные галопирующие животные; некоторые крокодилы также были замечены в такой походке.
Газели могут использовать другой вид асимметричной походки, называемый пронкинг, который включает в себя подпрыгивание в воздух и приземление на все четыре ноги одновременно. Жабы и кролики используют походку "bounding" или "half-bounding", при которой две задние лапы ударяются о землю одновременно. Брызговики, морские черепахи и некоторые тюлени одновременно двигают передними ластами в "костыльной" походке, чтобы передвигаться по суше. Некоторые скаты и другие рыбы плавают, одновременно двигая брюшными плавниками, чтобы передвигаться по морскому дну.
Есть также некоторые позвоночные, которые, похоже, не используют асимметричные походки, включая ящериц, саламандр, утконосов, ежей, лорисов и слонов.
Чтобы понять, когда впервые появились эти походки, Макэлрой и Гранатоски изучили сообщения о симметричных и асимметричных движениях у 308 различных видов гнатостомов, или позвоночных с челюстями. К этой группе относится подавляющее большинство современных позвоночных, за исключением миксин и миног.
Исследователи использовали компьютерные модели для изучения четырех различных эволюционных сценариев. В одном из них общий предок гнатостомов обладал способностью двигаться асимметрично, а его потомки могли потерять эту способность, но не приобрести ее вновь. В другой модели предполагалось, что этот признак можно только приобрести, что подразумевало отсутствие у предка гнатостомы асимметричной походки.
В третьей модели асимметричные походки появлялись и исчезали примерно с одинаковой скоростью по всему семейному древу. В четвертой модели ограничение скорости было снято. Это позволило организмам "иметь очень быструю эволюцию асимметричной походки и очень медленную потерю асимметричной походки", - говорит Макэлрой. "Они могут быть очень разными с точки зрения скорости эволюции".
Он и Гранатоски пришли к выводу, что этот четвертый сценарий наиболее вероятен, исходя из того, как асимметричные походки распространены среди современных позвоночных. Они подсчитали, что вероятность того, что предок гнатостомы использовал какую-то асимметричную походку, составляет примерно 75 процентов.
Это рыбоподобное существо, вероятно, обитало в мелких прибрежных морях 400-450 миллионов лет назад, примерно за 25-100 миллионов лет до того, как некоторые из его потомков вторглись на сушу. По словам Макэлроя, предок гнатостомы, возможно, использовал свои плавники для передвижения по морскому дну, отмечая, что многие окаменелости ранних челюстных позвоночных напоминают современных рыб, использующих такие движения, например, коньков и скатов.
Команда также определила, что предок, давший начало современным млекопитающим, вероятно, обладал способностью двигаться асимметрично, в то время как предки амфибий и ящериц, вероятно, этого не делали.
Неясно, почему асимметричные походки были утрачены у некоторых групп позвоночных. Возможно, слоны слишком велики, чтобы скакать галопом без опасной нагрузки на кости. Некоторые животные, такие как лорисы и многие черепахи, возможно, никогда не двигались достаточно быстро, чтобы нуждаться в асимметричной походке.
Ящерицы могут очень быстро бегать, не двигая конечностями асимметрично. "Я никогда не видел ящериц, скачущих галопом, и это странно, что они этого не делают, и наводит на мысль о каком-то нервно-мышечном ограничении", - говорит Макэлрой. "Я бы хотел взглянуть на это поближе, чтобы понять, способны ли ящерицы просто не делать этого, или это то, что они делают очень-очень редко, или есть какие-то группы, которые могут это делать, и мы просто не изучали эти группы?".
308 современных животных, которых исследовали ученые, представляют собой лишь небольшую часть из примерно 69 000 видов позвоночных. Это, по словам Хатчинсона, могло исказить результаты анализа.
Наблюдения за современными видами рыб были относительно редкими, признает Макэлрой. "Рыбы будут иметь тенденцию оказывать большее влияние на [эволюционные] реконструкции, потому что они являются самыми древними видами", - говорит он, и представляют собой "как ограничение, так и область для будущих открытий". Учет локомоции вымерших позвоночных также улучшил бы эти оценки, но о том, как они передвигались, известно мало.
Несмотря на эти ограничения, сказал Хатчинсон, "исследование ценно тем, что оно синтезирует большое количество данных с использованием хороших эволюционных инструментов и спровоцирует дальнейшие исследования вопросов, которые оно поднимает".