История всех наземных животных начинается с приземистой, длиннотелой болотной рыбы. Где-то в парообразном среднедевонском периоде семейство этих рыб вслед за растениями и жуками вышло на сушу и стало первыми тетраподами, или четвероногими позвоночными.
Но окаменелости 390 миллионов лет назад настолько скудны, что трудно найти подсказки о том, кем были эти рыбы или как они развивались. Окаменелостей мало, и есть удивительный пробел: самое древнее свидетельство о тетраподах содержится в наборе отпечатков ног, оставленных в приливной грязи, которые на 15 миллионов лет старше самой древней окаменелости тетрапода.
Новый анализ этой ископаемой летописи, опубликованный в понедельник в журнале Nature Ecology and Evolution, предполагает, что переход произошел в одно мгновение. Но, что удивительно, он также показывает, что после того, как первые тетраподы вышли на сушу, они оставались там - в основном в одиночестве - еще миллионы лет.
Чтобы собрать воедино этот критический период, авторы исследования реконструировали семейное древо ранних тетрапод. Этот процесс похож на тот, который вирусологи используют для документирования распространения и мутации новых вирусов, но вместо генетических признаков биологи используют физические различия в окаменелостях для составления схемы процесса эволюции.
По словам Тиаго Родригеса Симоеса, постдокторанта кафедры органической и эволюционной биологии Гарвардского университета, который руководил моделированием, они также впервые смогли включить в модель данные, не относящиеся к ископаемым, например, отпечатки ног.
"Мы смогли включить все явления, которые являются частью эволюции", - говорит он. "Дело не только в том, как связаны виды, но и в том, какова скорость эволюции? Как быстро развивались и вымирали виды?".
Согласно результатам исследования, четвероногие животные развивались невероятно быстро: всего шесть миллионов лет отделяют первых тетрапод от их предков.
На одном конце эволюционного древа находились предковые рыбы, которые снаружи выглядели как рыбы. Только в скелете, говорят исследователи, становятся очевидными строительные блоки наземной жизни.
Если посмотреть на плавник, то можно сказать: "О, смотрите, здесь плечевая кость", - говорит Стефани Пирс, эволюционный биолог с кафедры органической и эволюционной биологии и старший автор исследования. "Если заглянуть за тазовую кость, то можно увидеть и бедренную кость".
Из-за этого люди обычно сосредотачиваются на переходе от плавников к конечностям. "Но в скелете происходит масса других изменений", - продолжает Пирс. "Это просто очень сложные особенности, которые не интересуют большинство людей за пределами палеонтологии".
Но исследование показало, что самые быстрые изменения произошли в голове, где новым наземным животным пришлось бы адаптировать свои глаза, носы и даже челюсти к миру над водой.
Глаза тетрапод переместились с боков головы на макушку, а для соединения рта и носа открылся проход. У них выросли ключицы и шея, что придало им дополнительную гибкость, чтобы ходить и смотреть по сторонам. (Рыбы, говорит Симоэс, поднимая плечи к ушам, "похожи на Джаббу Хатта").
Но остальные части тела также изменялись, чтобы бороться с гравитацией. "Дело не в том, что череп развивался очень быстро, а посткраниум - медленно", - говорит Пирс. "Все тело развивалось с большой скоростью по сравнению с родственными рыбами. Просто череп развивался еще быстрее".
Несмотря на бешеные изменения, исследование показало, что на самом деле видов ранних тетрапод было не так уж много.
С 1940-х годов биологи подозревали, что "по мере того, как вы изменяете свое тело в соответствии с совершенно новой средой, эти изменения будут происходить быстро", - объясняет Симоэс. Предполагалось, что, поскольку животное так быстро эволюционирует в соответствии с окружающей средой, оно также разделится на различные типы тела и, в конечном итоге, на новые виды. "Но это не совсем то, что мы обнаружили".
И это помогает объяснить отсутствие окаменелостей. "Меня немного огорчает то, что исследование показало, что видов было так мало, что они не были окаменелостями", - говорит Пирс. "Мы надеемся, что найдем новые окаменелости, которые смогут рассказать нам больше об эволюции, но это будет непросто".
Почему именно первые тетраподы не разошлись в разные стороны - это еще новый вопрос. Но, подозревает Пирс, возможно, дело просто в том, что они внезапно обнаружили, что им хорошо живется. Тетраподы нашли новую нишу, и это дало им некоторую эволюционную слабину. "У вас есть небольшая передышка на некоторое время, прежде чем это станет действительно популярным".