Чтобы лучше тебя видеть: зачем жизнь вышла из воды на сушу?

Жизнь на Земле началась в воде. Поэтому когда первые животные вышли на сушу, им пришлось разменять свои плавники на конечности, а жабры на легкие, чтобы лучше адаптироваться к новой земной среде. На днях появилось новое исследование, которое показало, что переход к легким и конечностям не раскрывает полной картины трансформации этих существ. Когда они вышли из моря, они получили нечто, возможно, даже более ценное, чем насыщенный кислородом воздух: информацию. В воздухе глаза могут видеть гораздо дальше, чем под водой. По словам Малколма Макивера, невролога и инженера из Северо-западного университета, увеличенная дальность видимости обеспечивала животных дополнительной информацией о богатых источниках пищи вблизи берега.

И эта же дальность, утверждает Макивер, диктовала развитие рудиментарных конечностей, которые позволяли животным совершать их первые короткие набеги на сушу. Более того, все это могло иметь далеко идущие последствия для появления более сложного сознания и комплексного планирования.

«Не так просто догадаться, глядя на конечности, что именно информация, возможно, которая плохо откладывается в ископаемых окаменелостях, вывела нас на сушу», говорит Макивер.

Макивер и Ларс Шмитц, палеонтолог из Клермонт-Колледжа, создали математические модели, которые исследуют, как увеличение информации, доступной для обитающих в воздухе существ, проявлялось бы в течение эонов в увеличении размера глаз. Они описывают экспериментальные данные, которые накопились в поддержку гипотезы, как они называют, «буэна виста» («прекрасный вид» с испанского), в PNAS.

Работа Макивера уже заслужила похвалу от экспертов в этой области за инновационный и тщательный подход. Пока палеонтологи долго размышляли о размере глаз в окаменелостях и о том, что они могут рассказать нам о зрении животного, «произошел большой шаг вперед», говорит Джон Хатчинсон из Королевского ветеринарного колледжа в Великобритании. «Это не просто рассуждения, основанные на качественных наблюдениях; это тестирование предположений и качественное отслеживание больших изменений на протяжении макроэволюционного времени».

Подводные охотники

Макивер впервые придумал свою гипотезу в 2007 году, изучая черную ножетелку в Южной Америке — электрическую рыбу, которая охотится ночью, создавая электрические токи в воде, чтобы чувствовать свою среду. Микивер сравнивает ее эффект с некоторого рода радарной системой. Являясь в некоторой степени эрудитом, с интересами и опытом в области робототехники и математики, а также биологии, неврологии и палеонтологии, Макивер построил роботизированную версию ножетелки, дополненную электросенсорной системой, чтобы изучить ее экзотические способности восприятия и необычайную подвижность.

Когда Макивер сравнивал объем пространства, в котором ножетелки могут потенциально находить водяных блох, которых любят есть, с объемом, в котором рыбы полагаются на зрение при охоте за той же добычей, они оказались примерно равными. Это было неожиданно. Поскольку ножетелка должна вырабатывать электричество, чтобы воспринимать мир вокруг — на это ведь уходит много энергии — стоило бы ожидать, что радиус восприятия будет меньше, если сравнивать с рыбами, полагающимися на зрение. Сначала ученый посчитал, что допустил ошибку в расчетах. Но очень скоро выяснил, что критическим фактором, который нужно было учесть для расчета неожиданно малого объема визуально досягаемого пространства, был показатель поглощения и рассеяния света водой. В пресной воде, например, расстояние, которое свет может преодолеть, прежде чем будет рассеян и поглощен водой, разнится от 10 сантиметров до 2 метров. В воздухе свет может преодолевать от 25 до 100 километров, в зависимости от влажности воздуха.

По этой причине водоплавающие существа редко получают существенное эволюционное преимущество вследствие увеличения размера глаз, больше теряют. Глаза очень прожорливы с точки зрения эволюции, поскольку на их поддержание уходит много энергии; светочувствительные клетки и нейроны в визуальных областях мозга требуют много кислорода для функционирования. Поэтому любое увеличение размера глаз должно давать преимущества, которые могли бы оправдать лишний расход энергии. Макивер сравнивает увеличение размера глаз в воде с переключением на дальний свет в тумане в попытке разглядеть дальнейшую дорогу.

Но как только вы вынимаете глаза из воды, поднимаете их в воздух, больший размер глаз приводит к пропорциональному увеличению дальности вашего зрения.

Макивер пришел к выводу, что размер глаз значительно увеличился в процессе перехода животных из воды на сушу. Когда он поделился своим выводом с эволюционным биологом Нейлом Шубиным — членом команды, открывшей Tiktaalik roseae (тиктаалик), важную переходную окаменелость возрастом 375 миллионов лет назад с легкими и жабрами — Макивер выяснил для себя, что палеонтологи отметили увеличение размера глаз в своей летописи. Просто не придали большого значения этой перемене. Поэтому Макивер решил провести самостоятельное расследование.

Крокодильи глаза

У Макивера была интересная гипотеза, но он искал доказательства. Поэтому он объединился со Шмитцем, который имел опыт в интерпретации глазных ячеек четырехногих окаменелых «тетрапод» (одним из которых был тиктаалик), и двое ученых задумались над тем, как лучше всего проверить идею Макивера.

Сперва Макивер и Шмитц тщательно проанализировали летопись окаменелостей, чтобы выявить изменения размеров глазных впадин, которые указывают на соответствующие изменения в глазах, поскольку они пропорциональны размерам впадин. Ученые собрали 59 черепов первых четвероногих, имевших место в переходный период между водой и сушей, которые были достаточно целы, чтобы можно было измерить как глазную орбиту, так и длину черепа. Затем они загрузили эти данные в компьютерную модель, чтобы экстраполировать изменение размера глазницы на много поколений и получить представление об эволюционном генетическом дрейфе этой особенности.

Выяснилось, что заметный рост размера глаз действительно наблюдался — в три раза, по сути — во время переходного периода. Средний размер глазной впадины перед переходом был 13 миллиметров, а после — 36 миллиметров. Кроме того, у тех существ, которые вышли из воды на сушу и вернулись в воду — вроде мексиканской пещерной рыбы Astyanax maxicanus, — средний размер глазной орбиты сократился до 14 миллиметров, то есть практически вернулся к прежнему состоянию.

У этих результатов была одна проблема. Первоначально Макивер предполагал, что увеличение произошло после того, как животные стали полностью сухопутными, поскольку эволюционные преимущества дальнего зрения на суше привели бы к увеличению размера глазницы. Но сдвиг произошел до того, как завершился переход из воды на сушу, даже до того, как существа развили рудиментарные конечности на своих рыбных придатках. Как же пребывание на суше могло подтолкнуть постепенное увеличение в размере глазной орбиты?

Когда Макивер и Шмитц проанализировали данные по размеру глаз в окаменевшей летописи, они заметили, что орбиты меняли положение в ходе переходного периода, смещались с боковых частей черепа наверх, где закреплялись в костных выступах. Также они заметили крошечные разрезы возле ушной области — дыхальца — которые помогали четвероногим дышать воздухом. Короче говоря, эти создания стали напоминать крокодилов. Внезапно все стало на свои места.

«Я не ожидал, что эти существа могли использовать воздушное зрение, оставаясь все еще водоплавающими», говорит Макивер. «Я предполагал, что воздушное зрение равно пребыванию на суше». Это не так. Скорее, переходные четвероногие должны были охотиться как крокодилы, прячущиеся в мелководье на берегу, когда лишь глаза выглядывают над поверхностью в поисках вкусной добычи.

В таком случае, «похоже, охота, подобно крокодильей, была шлюзом на сушу», говорит Макивер. «Точно так же, как действию предшествует информация, появление на суше, вероятно, объяснялось огромным выигрышем в обретении зрения за счет торчащих над водой глаз, которые могут видеть нетронутый источник добычи, а вслед за этим обретались и конечности».

Это мнение согласуется с работой Дженнифер Клак, палеонтолога из Кембриджского университета, которая известна ископаемым Pederpes finneyae — это древнейшая из известных «ног, предназначенных для прогулок по суше», которая при этом не была полностью сухопутной. Хотя ранние четвероногие были преимущественно водными, а позднее четвероногие стали явно сухопутными, палеонтологи полагают, что это существо проводило время и в воде, и на суше.

Определив, насколько увеличились размеры глаз, Макивер решил рассчитать, насколько дальше животные могли видеть большими глазами. Он адаптировал существующую экологическую модель, которая учитывает не только анатомию глаз, но и другие факторы, такие как окружающая среда. В воде больший глаз только увеличивает визуальный диапазон от чуть более шести метров до почти семи метров. Но увеличьте размер глаз в воздухе - и улучшение вырастет от 200 до 600 метров.

Макивер и Шмитц проводили одно и то же моделирование в самых разных условиях: дневной свет, безлунная ночь, звездный свет, чистая вода и даже мутная вода. «Не имеет значения, — говорит Макивер. — Во всех случаях прирост в воздухе был огромен. Даже если они охотились средь бела дня в воде и выходили только в безлунные ночи, это все равно было им выгодно, с позиции зрения».

Использование количественных инструментов для объяснения закономерностей в летописи окаменелостей представляет совершенно новый подход к проблеме. Все больше палеонтологов и эволюционных биологов вроде Шмитца используют эти методы.

«Палеонтология — это во многом изучение окаменелостей с последующим составлением описаний того, как эти окаменелости могли бы вписаться в определенную среду», говорит Джон Лонг, палеобиолог из Университета Флиндерса в Австралии, который изучает, как рыба эволюционировала в четвероногих. «Эта статья содержит очень хорошие экспериментальные данные, позволяющие тестировать зрение в различных средах. И эти данные соответствуют тем схемам, которые мы видим на примере этих рыб».

Шмитц выделил два ключевых события в количественном подходе, которые произошли за последние десять лет. Во-первых, все больше ученых адаптируют методы современной сравнительной биологии к анализу ископаемых записей, изучая взаимосвязь животных друг с другом. Во-вторых, есть большой интерес к моделированию биомеханики древних существ таким образом, который на самом деле можно проверить — чтобы определить, как быстро могли бегать динозавры, к примеру. Такой модельный подход к интерпретации окаменелостей может быть применен не только к биомеханике, но и к сенсорной функции — в данном случае объяснить, как выход из воды повлиял на зрение первых четвероногих.

«Оба подхода привносят нечто уникальное, поэтому должны идти рука об руку», говорит Шмитц. «Если бы я провел анализ глазной орбиты самой по себе, я бы не понял, что это означает на самом деле. Глаза стали больше, но почему?». Сенсорное моделирование может отвечать на эти вопросы качественно, а не количественно.

Шмитц планирует исследовать другие переходы из воды на сушу в летописи окаменелостей — не только на примере первых четвероногих — чтобы поискать соответствующие увеличения в размерах глаз. «Если вы посмотрите на другие переходы между водой и сушей, между сушей и снова водой, вы увидите схожие картины, которые потенциально могли бы подтвердить эту гипотезу», говорит он. Например, окаменелости морских рептилий, которые сильно полагаются на зрение, тоже могут продемонстрировать увеличение глазной орбиты по мере их выхода на сушу.

Мыслить по-новому

Опыт Макгивера-невролога неизбежно заставлял его задуматься над тем, как все это могло повлиять на поведение и когнитивные способности четвероногих при переходе из воды на сушу. Например, если вы живете и охотитесь в воде, ваша ограниченная дальность зрения — примерно на одну длину тела вперед — означает, что вы живете в «реактивном режиме»: у вас есть всего несколько миллисекунд на реакцию. Все сводится к одной схеме. Вы либо съедите, либо будете съедены, и лучше принимать решение быстро.

Но для наземного животного способность видеть дальше означает, что у него есть гораздо больше времени, чтобы оценить ситуацию и выработать лучшую стратегию действий, будь оно хищником или жертвой. По мнению Макивера, вероятно, первые наземные животные начали охоту на наземную добычу реактивно, но со временем те, которые могли выйти за рамки реактивного режима и научились мыслить стратегически, получили эволюционное преимущество. «Теперь вам приходится оценивать несколько будущих исходов и быстро выбирать между ними, — говорит ученый. — Это мысленное путешествие во времени, которое стало важной частью наших собственных познавательных способностей».

Другие чувства, вероятно, тоже сыграли определенную роль в развитии более развитого сознания. «Это чрезвычайно увлекательно, но я не думаю, что способность планировать внезапно появилась только благодаря зрению», говорит Барбара Финлей, эволюционный нейрофизик из Корнелльского университета. В качестве примера она указывает на то, как лосось полагается на обоняние во время миграции вверх по течению.

Хатчинсон соглашается с тем, что было бы полезно рассмотреть, как многие сенсорные изменения в течение этого критического переходного периода сочетаются друг с другом, а не изучать одно только зрение. Например, «мы знаем, что запах и вкус вначале были связаны в водной среде, а затем разделились», говорит он. «Но слух сильно изменился при переходе от водной к сухой среде, вместе с развитием правильного внешнего уха и других особенностей».

Эта работа имеет последствия для будущей эволюции человеческого познания. Возможно, однажды мы сможем сделать очередной эволюционный скачок, преодолев то, что Макивер в шутку называет «палеоневрологией человеческой глупости». Люди в силах понять последствия краткосрочных угроз, но долгосрочное планирование — например, смягчение последствий изменений климата — мы практически не перевариваем. «Возможно, ряд наших ограничений в стратегическом мышлении восходит к тому, как разные условия влияют на планирование», говорит он. «Мы не можем мыслить в геологических временных масштабах».

Его работа может помочь нам идентифицировать собственные слепые пятна.