Появление челюстей и способность откусывать и пережевывать пищу стало значительным этапом в развитии позвоночных. Новое исследование палеонтологов проливает свет на процесс формирования этой ключевой части скелета и на ранние стадии ее эволюции.
Практически все современные позвоночные, включая млекопитающих, птиц, рептилий, амфибий, хрящевых и костных рыб — имеют нижнюю челюсть, которая нужна для откусывания и пережевывания. Однако миноги и другие круглоротые, самые примитивные из современных позвоночных, челюстей лишены.
Изначально челюсти отсутствовали у всех позвоночных — древнейшие из них по строению челюстей напоминали примитивных миног. Этих бесчелюстных делает и, скажем, отсутствие миелина, это ионы натрия и калия, которые обеспечивают быструю передачу нервного импульса.
Первые позвоночные дышали под водой, используя жабры. Жаберные дуги, поддерживающие эти жабры, состояли из костных структур. Впоследствии именно эти кости смогли изменить свою функцию и стать основой для первых челюстей.
«Челюсти играют ключевую роль в строении гнатостомов — класса животных, характеризующихся наличием челюстей, — рассказал По словам Вильяма Дикина, аспиранта Университета Бристоля (Великобритания) и одного из авторов нового исследования, челюсти встречаются повсеместно и всегда используются для схожих задач — захвата и переработки пищи. В отличие от передних и задних конечностей и хвоста, которые могут иметь самое разное назначение».
Поэтому Уильям считает челюсти исключительно ценным объектом эволюционных исследований. Действительно, эту часть черепа разных позвоночных можно охарактеризовать с помощью строго определенных и универсальных параметров — а значит, и объективно сравнивать.
Чтобы разобраться с этим вопросом, авторы новой статьи в журнале Science Advances рассмотрели 121 вид древних позвоночных, описав 45 различных параметров челюстей каждого из них. Речь прежде всего о так называемых плакодермах, или панцирных рыбах — а именно, о тех, что жили в морях в конце силурийского и девонском периодах палеозойской эры. Довольно скоро плакодермы полностью вымерли. Стоит отметить, что, несмотря на внешнее сходство, этих животных нельзя назвать родственниками «настоящих» рыб — наших современников.
Среди проанализированных вариантов присутствует и хорошо известный дунклеостей ( Dunkleosteus), чьи мощные челюсти были способны разламывать даже самые крепкие кости. И это при отсутствии зубов: их ему заменяли острые края костей.
Используя сложные математические модели и анализ данных, авторы исследования определили ключевые параметры челюстного аппарата, влияющие на эволюцию. Для этого они разработали обширный набор моделей «гипотетических челюстей» и создали пространство морфологических признаков, позволяющее количественно оценить и сопоставить это разнообразие.
Палеонтологи пришли к заключению, что древнейшие челюсти отличались эффективной структурой для быстрого смыкания и обладали высокой прочностью. Это позволяет предположить, что их владельцы были хищниками. Интересно, что самыми удачными конструкциями оказались наиболее древние. В дальнейшем, по мере появления все новых систематических групп, челюстной аппарат быстро изменялся и порой терял оптимальное устройство.
Эволюционное расхождение позвоночных привело к тому, что им пришлось выбирать между мощными и быстро закрывающимися челюстями. Этот выбор оказал влияние на дальнейшее эволюционное развитие многих позвоночных.