PaleoNews

Способность видеть в воздухе создает информационное преимущество. Возможно, именно поэтому древние существа выползли из воды на твердую землю.

00rana

Молодая крикливая лягушка (Rana sphenocephala) выглядывает из воды / Michael Durham

Жизнь на нашей планете зародилась в воде. И когда первые животные вышли на землю, они обменяли плавники на конечности, а жабры — на легкие, чтобы лучше адаптироваться к новой для них окружающей наземной среде.

Новое исследование, опубликованное в прошлом году, натолкнуло ученых на мысль, что легкие и конечности — это лишь часть истории превращения. Покинув моря, они, возможно, обрели нечто более ценное, чем насыщенный кислородом воздух: информацию. В воздухе глаза могут видеть намного дальше, чем под водой. По словам Малкольма МакАйвера (Malcolm MacIver), нейробиолога и инженера из Северно-Западного университета, увеличившийся обзор стал «информационной нитью», которая оповестила древних животных об обильных пищевых ресурсах у берега.

Эта нить, продолжает МакАйвер, двигала отбором рудиментарных конечностей, которые позволяли животным совершать свои первые короткие вылазки на землю. Более того, возможно, она еще более значительно повлияла на развитие сложного сознания и навыков планирования. «Сложно заглянуть дальше конечностей и подумать над тем, что может быть на землю нас привела именно информация, а она не так то хорошо превращается в окаменелости»,  — рассказывает МакАйвер.

МакАйвер и Ларс Шмитц (Lars Schmitz), палеонтолог из Клэрмонтовского колледжа, создали математическую модель, которая фокусируется на том, как рост информации, доступной существам, способным жить в воздухе, коррелировалась на протяжении миллионов лет с ростом размеров глаза. Свои доказательства, полученные в ходе экспериментов, они использовали для защиты гипотезы, которую они прозвали гипотезой «buena vista», то есть «хорошего обзора». Статья была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Работа МакАйвера уже привлекла внимание и признание среди экспертов данной области, благодаря инновационному подходу и доскональному изучению данных. Пока палеонтологи уже многие десятилетия спорят насчет размеров глаз в окаменелостях и насчет того, что мы можем, а что не можем предполагать о зрении животных, по словам Джона Хатчинсона (John Hutchinson) из Королевского ветеринарного колледжа в Великобритании, данная работа «идет дальше»: «Тут не просто рассказываются истории, основанные на качественных наблюдениях; здесь проверяются предположения, и на макро-эволюционном уровне количественно отслеживаются большие изменения».

Подводные охотники

Впервые МакАйвер выдвинул свою гипотезу в 2007 году во время изучения черной ножетелки (Apteronotus albifrons) в Южной Америке. Эта рыба охотится по ночам, и она «ощущает» свое окружение, посылая электрические сигналы в воде. МакАйвер сравнил эту способность с радаром. Будучи ученым-универсалом, интересующимся и имеющим опыт в робототехнике и математике, помимо биологии, нейронауки и палеонтологии, МакАйвер собрал робота-ножетелку с электросенсорной системой, чтобы изучить ее необычные способности восприятия и удивительную проворность в движении.

Когда МакАйвер сопоставил радиус пространства, в котором ножетелка способна теоретически обнаружить водяных блох, одно из самых любимых ее лакомств, с радиусом обзора другой рыбы, которая в охоте за той же добычей полагается на зрение, он обнаружил, что эти радиусы примерно совпадают. Это было неожиданно. Исходя из того, что ножетелке нужно вырабатывать электричество, чтобы «видеть» мир ,— а на это тратится много энергии, — МакАйвер ожидал увидеть намного меньший радиус чувствительности по сравнению с радиусом по-настоящему видящих рыб. Сначала он подумал, что в расчеты закралась ошибка. Но вскоре обнаружил, что ключевым фактором, влияющим на этот неожиданно небольшой визуальный обзор пространства, является количество поглощаемого и рассеиваемого водой света. На чистом мелководье, к примеру, «длина ослабления» света, — то есть расстояние, которое свет может проделать, прежде чем он рассеивается или поглощается, — составляет от 10 сантиметров до 2 метров. В воздухе свет может путешествовать на 25–100 километров в зависимости от влажности воздуха.

Из-за этого водные существа не особо то много приобретают от увеличения размера глаз, но многое теряют. С эволюционной точки зрения, глаза — дорогостоящее удовольствие, ведь для работы им требуется очень много энергии; фоторецепторным клеткам и нейронам в областях мозга, отвечающих за зрение, требуется большое количество кислорода. Поэтому малейшее увеличение размера глаза должно давать значительные преимущества, чтобы окупить затраты дополнительной энергии. МакАйвер сравнивает увеличение глаз в воде с переключением фар на дальний света в попытке чуть дальше видеть в тумане.

Но как только вы выглядываете из воды и оказываетесь на воздухе, больший размер глаз ведет к пропорциональному росту дальности расстояния, на которое вы теперь можете видеть.

00rana1

Перевод Funscience / Quanta Magazine

МакАйвер пришел к выводу, что глаза должны были значительно вырасти в процессе выхода из воды на сушу. Когда он поделился своим озарением с эволюционным биологом Нилом Шубиным (Neil Shubin), — членом команды ученых, которые открыли Tiktaalik roseae,важную переходную окаменелость возрастом 375 миллионов лет, на у которой есть и легкие, и жабры, — тот рассказал МакАйверу, что палеонтологи заметили закономерность роста размера глазниц в окаменелостях. Просто не придали этому большого значения. МакАйвер же решил изучить этот вопрос.

Глаза крокодилов

У МакАйвера была завлекательная гипотеза, но теперь были нужны доказательства. Он объединился со Шмитцем, у которого был опыт изучения глазниц в окаменелостях четвероногих «тетраподов» (окаменелость Tiktaalik была как раз одной из них), и они вдовоем сели думать над тем, как протестировать гипотезу МакАйвера.

Для начала МакАйвер и Шмитц тщательно просмотрели все данные об окаменелостях на предмет размера глазниц, что означало бы соответствующий рост глаз, раз уж они пропорциональны глазницам. Они собрали 59 ранних черепов тетраподов периода выхода существ из воды на сушу. Все образцы были достаточно полные, чтобы можно было измерить и диаметр глазниц, и длину черепа. Затем они загрузили эти данные в компьютерную модель, чтобы симулировать изменения размеров глазниц на протяжении многих поколений. Все это для того, чтобы получить хоть какое-то базовое представление об эволюционных генетических изменениях этой характеристики.

Они обнаружили, что рост глаз в переходный период и в самом деле был, причем в три раза! Средний размер глазниц до преобразования составлял 13 миллиметров, в после — 36 мм. Более того, у тех существ, которые сначала вышли на сушу, а потом вернулись в воду, — как, к примеру, мексиканская пещерная рыба Astyanax mexicanus, — средний диаметр глазницы вернулся почти к первоначальному размеру, составив 14 миллиметров.

С этими результатами была лишь одна проблема. Изначально МакАйвер предположил, что рост происходил уже после того, как животные становились полностью наземными, ведь тогда вступали в роль эволюционные преимущества способности видеть дальше, что и приводило к росту глаз. Но в действительности рост произошел еще до завершения периода перехода из воды на сушу, даже еще до того, как животные приобретали рудиментарные пальцы на своих подобных рыбьим отростках. Так как же пребывание на суше могло спровоцировать постепенный рост глаз?

00rana2

Ранние тетраподы скорее всего охотились как крокодилы — караулили, выглядывая из воды / Sven Kopping 

В данном случае, "видимо, крокодилий стиль охоты стал толчком к наземной жизни,"— говорит МакАйвер. «Как информация предвещает действием, так и выход на сушу скорее всего был связан со зрительным преимуществом от выглядывания над поверхностью воды с целью увидеть неразработанный еще ресурс добычи».

Этот вывод согласуется с результатами работы Дженнифер Клак (Jennifer Clack), палеонтолога из Кэмбриджского университета, по исследованию окаменелости, известной как Pederpes finneyae, с самой древней известной на данный момент ногой для наземного существования, хотя само существо еще не было поистине наземным. В то время как ранние тетраподы были преимущественно водными, а поздние тетраподы были очевидно наземными, данное существо, по мнению палеонтологов, скорее всего проводило время и в воде, и на суше.

После того, как МакАйвер определил, насколько вырос размер глаз, он взялся за расчеты того, насколько дальше животные смогли видеть этими глазами. Он адаптировал уже существовавшую экологическую модель, которая учитывает не только анатомию глаза, но и другие факторы, такие как окружающая среда. В воде большие глаза увеличивали радиус зрения с чуть больше шести метров до почти семи. Но стоит увеличить глаза в воздухе, и радиус возрастает с 200 метров до 600 метров!

МакАйвер и Шмитц прогнали ту же симуляцию с разными изначальными условиями: дневной свет, безлунная ночь, звездный свет, чистая вода и мутная вода. «Это не имело значения, — говорит МакАйвер. — Во всех случаях прирост [в воздухе] был колоссальным. Даже если они охотились в течения дня в воде, и выходили на сушу лишь в безлунную ночь, с точки зрения способности видеть, они выигрывали».

Использование количественных методов в объяснении закономерностей в данных об окаменелостей — это относительно новый подход к проблеме, но все большее число палеонтологов и эволюционных биологов, таких как Шмитц, активно пользуется этими методами.

«Во многом палеонтология — это рассматривание окаменелостей и попытки интерпретировать, как эта окаменелость могла вписываться в данную окружающую среду, — говорит Джон Лонг, палеонтолог из Флиндерсовского университета в Австралии, изучающий то, как рыбы эволюционировали в тетраподов.  — В этой статье представлены очень хорошие и объективные результаты экспериментов, тесты зрения в различных окружающих средах. И эти данные совпадают с теми закономерностями, которые мы наблюдаем в рыбах».

Шмитц выделил два ключевых достижения в количественном подходе за последнее десятилетие. Во-первых, многие ученые адаптировали методы из современной сравнительной биологии к анализу данных окаменелостей, изучая то, как животные связаны друг с другом. Во-вторых, появился интерес к моделированию биомеханики древних существ таким образом, чтобы ее можно было протестировать — к примеру, узнать, как быстро могли бегать динозавры. Такой подход, основанный на построении моделей для толкования окаменелостей может быть применен не только к биомеханике, но и к сенсорным функциям, — в нашем случае, этот подход дал объяснение, как выход из воды повлиял на зрение ранних тетраподов.

00rana3

Модель Tiktaalik roseae, окаменелости переходного периода возрастом 375 миллионов лет, у которой есть шея — абсолютно чуждая рыбам, — а также легкие и жабры / Tyler Keillor 

«Оба подхода привносят нечто уникальное, поэтому они должны использоваться бок о бок, — говорит Шмитц. — Если бы я провел анализ [размера глазниц] сам по себе, я бы упустил то, что это может на самом деле означать. Глаза становятся больше, но почему?» Моделирование сенсорной функции способно ответить на этот вопрос количественно, а не качественно.

Шмитц планирует изучить и другие преобразования в окаменелостях, связанные с переходом из воды на сушу, — и не только у ранних тетраподов, — чтобы определить, если ли и у них закономерное увеличение размера глаз: «Если вы посмотрите на другие преобразования при выходе из воды на сушу и обратно в воду, вы увидите схожие закономерности, которые потенциально могут дополнить и подтвердить гипотезу». К примеру, в окаменелостях морских рептилий, которые во многом полагаются на зрение, тоже должен наблюдаться рост глазниц с тем, как они выходили из воды на воду.

Новый взгляд

Междисциплинарные знания и опыт в нейронауке очевидно подтолкнули МакАйвера к размышлениям над тем, как все эти преобразования могли отразиться на поведении и сознании тетраподов во время их перехода из воды на сушу. К примеру, если ты живешь и охотишься в воде, органиченный радиус видимости — примерно в длину твоего тела, — означает, что действовать ты должен, используя термин МакАйвера, «реактивно»: у тебя есть лишь несколько миллисекунд (что эквивалентно нескольким циклам сигналов нейронов в мозге), чтобы отреагировать. «Все происходит сию секунду, — объясняет он. — Ты можешь либо съесть, либо быть съеденым, и ты должен принять это решение быстро».

Но наземные животные видят дальше, а значит у них больше времени на то, чтобы оценить ситуацию и продумать стратегию — выбрать лучший способ действия, будь ты хищником или добычей. По словам МакАйвера, скорее всего первые наземные животные начали охотиться за наземной добычей реактивно, но со временем те существа, которые сумели преодолеть этот метод быстрой реакции и начали думать стратегически, получили большое эволюционное преимущество. «Теперь тебе нужно обдумать множество разных сценариев и быстро выбрать один из них,  —  продолжает МакАйвер.  —  Это мысленное путешествие во времени, осознание перспективы, и это по-настоящему важный фактор наших когнитивных способностей».

Получается, другие чувства скорее всего тоже сыграли роль в развитии развитого мышления. «Это жутко интересно, но я не думаю, что способность планировать неожиданно возникла благодаря зрению,» — комментирует Барбара Финли (Barbara Finlay), нейроученый, занимающаяся эволюцией в Корнеллском университете. В качестве примера она привела обоняние лосося, которое он использует при передвижении вверх по течению.

Хатчинсон согласен, что будет полезно изучить, как именно взаимодействовали разные сенсорные способности во время этого ключевого переходного периода, и не фокусироваться только на зрении. К примеру, «мы знаем, что обоняние и вкус изначально были объединены в водной среде, а затем разделились», — поясняет он. «А вот слух сильно изменился при переходе из водной в наземную среду, во время эволюции появилось нормально внешнее ухо и другие особенности.»

Эта работа имеет значение и для последующей эволюции человеческого мышления. Возможно, однажды мы сделаем еще один эволюционный скачок и преодолеем то, что МакАйвер в шутку называет «палеонейробиологией человеческой глупости». Люди способны оценить последствия краткосрочной опасности, но долгосрочное планирование — такое как смягчение эффекта глобального потепления — нам дается намного сложнее. «Возможно, некоторые из наших ограничений в стратегическом мышлении идут из из того, как различные среды приоретизируют способность планировать, — говорит он. — Мы не способны размышлять в геологических масштабах.» Он надеется, что изучение окаменелостей поможет обнаружить наши когнитивные «слепые пятна». «Если мы сможем это сделать, мы сможем придумать способ обходить эти слепые точки».

 

Оригинал статьи опубликован в Quanta Magazine. Перевод выполнен специально для канала Funscience.