Как и почему млекопитающие вернулись в океаны?

HDE 226868

Как и почему млекопитающие вернулись в океаны?

Если я правильно понимаю эволюционную биологию, млекопитающие сначала эволюционировали на суше как маленькие, похожие на грызунов существа, во времена, когда на суше господствовали рептилии. В конце концов, они превратились в виды, которые мы знаем сегодня. Некоторые из этих видов, однако, являются водными - на ум сразу приходят киты и дельфины. Почему предки китов и дельфинов покинули сушу и отправились в океаны? Как они эволюционировали от своей первоначальной формы до своего внешне ихтиоидного вида сегодня?

Майкл С Тейлор

Я сосредоточусь на китах и ​​дельфинах (китообразных), поскольку вы упомянули их по имени, и они являются репрезентативными для других морских млекопитающих, таких как тюлени или ламантины. Эволюция китообразных была одной из захватывающих эволюционных загадок. Очевидно, они были млекопитающими, но какие млекопитающие были их ближайшими родственниками? Подсказки к разгадке этой тайны начали появляться в 1980-х и 1990-х годах.

В течение 1980-х и в 1990-е годы палеонтологи обнаружили несколько окаменелостей, которые явно принадлежали наземным млекопитающим, но имели много общих черт скелета с китообразными. Эти окаменелости, в том числе Pakicetus [(Gingerich et al. 1983)] и Rodhocetus (Gingerich et al. 1994) , имеют общие черты скелета, которые являются уникальными для китов и парнокопытных , широко известных как парнокопытные млекопитающие. К парнокопытным относятся олени, овцы, свиньи, бизоны и гиппопотамы. Парнокопытные и ископаемые киты имеют общую уникальную особенность скелета лодыжки, называемую астрогалом, показанную на рисунке ниже. Таранная кость представляет собой структуру «двойного шкива», которая участвует в голеностопном суставе. Эта фотография взята из превосходного обзора эволюции китов, предоставленногоСайт Understanding Evolution , размещенный Калифорнийским университетом в Беркли. Таранная кость отсутствует у других млекопитающих.

введите описание изображения здесь

Ископаемые киты и современные китообразные также имеют общие уникальные особенности черепа вокруг области уха, называемого барабанной буллой. Хотя у всех млекопитающих есть буллы (множественное число от буллы), буллы китообразных и окаменелости китов уникальны по сравнению с другими млекопитающими. Подробнее о бюллетене см. на этой странице Talk Origins . Более подробную информацию об ископаемых китах можно найти в Сравнительном палеонтологическом музее Беркли . Многие найденные окаменелости представляют собой переходные формы , связывающие парнокопытных и современных китообразных.

введите описание изображения здесь Источник

Примерно в то же время, когда были обнаружены окаменелости, генетический анализ добавил дополнительные доказательства, подтверждающие связь между парнокопытными и китообразными (Милинкович и др., 1993) . Хотя ранние генетические аналитические методы не были такими надежными, как сегодня, многие генетические исследования с тех пор подтвердили и уточнили выводы Milinkovitch et al. Текущие данные показывают, что ближайшими живыми родственниками китообразных являются бегемоты (см., например, Price et al. 2005 и Agnarsson and May-Collado 2008 ). Отношения показаны ниже на этом рисунке из статьи Агнарссона и Мэя-Колладо. Темные линии — это парнокопытные и китообразные, официально называемые Cetartiodactyla.

введите описание изображения здесь

Остается вопрос: почему? Наиболее вероятное объяснение состоит в том, что китообразные эволюционировали, чтобы использовать незаполненную экологическую нишу или приспособились к новым нишам, образовавшимся в результате тектоники плит или других типов экологических изменений, произошедших 50-55 миллионов лет назад . Ниша описывает все живые и неживые ресурсы, необходимые организму для выживания. Хотя разнообразие наземных млекопитающих увеличивалось, в океанах их было мало или совсем не было. Основная гипотеза состоит в том, что ранние китоподобные парнокопытные, такие как Indohyus и Pakicetus , были наземными (наземными) млекопитающими, проводившими большую часть своего времени у кромки воды. Со временем они приспособились к нишам в океане. Окаменелости, такие как Ambulcetusи Rodhocetus продемонстрировали явные признаки плавательных способностей , с уплощенными хвостами и увеличенными задними лапами. Кроме того, ноздри сместились с передней части лица на макушку, которую мы распознаем как дыхало.

Переход к водной среде обитания позволил этим видам использовать ресурсы, недоступные наземным млекопитающим, тем самым снизив конкуренцию за ресурсы. Снижение конкуренции позволяет большему количеству особей выживать и размножаться.

Подобные сценарии весьма вероятны и для других морских млекопитающих, таких как тюлени или ламантины. Они эволюционировали, чтобы воспользоваться экологическими нишами, которые не были заполнены другими организмами. Эта базовая концепция, развивающаяся для заполнения доступных ниш, является общим результатом эволюционного процесса.

Адаптация китообразных и других млекопитающих к океанам может быть сходной с адаптацией бегемота . Бегемоты проводят большую часть своего времени в воде, и они проявляют множество приспособлений, позволяющих им жить в водной среде. Глаза и ноздри бегемота расположены высоко на голове, что позволяет им оставаться почти полностью погруженными в воду, но при этом видеть и обонять, как показано ниже.

введите описание изображения здесь(Фото бегемота Йоханнеса Лунберга , Flickr Creative Commons.)

Бегемоты кормятся под водой, они достаточно тяжелые, чтобы ходить по дну реки, спариваются и рожают под водой. Молодые могут сосать грудь под водой. Очевидно, бегемоты — еще одно млекопитающее, «возвращающееся в воду». Подобные процессы должны были происходить у китообразных, чтобы они адаптировались к морской среде обитания.

Цитаты

Агнарссон И. и Л.Дж. Мэй-Колладо. 2008. Филогения Cetartiodactyla: важность плотной выборки таксонов, недостающие данные и замечательные перспективы цитохрома b для обеспечения надежных филогений на уровне видов. Молекулярная филогенетика и эволюция 48: 964-985.

Джинджерич, П.Д. и соавт. 1983. Происхождение китов в эпиконтинентальных остатках морей: новые свидетельства раннего эоцена Пакистана. Наука 220: 403-406.

Джинджерич, П.Д. и соавт. 1994. Новый кит из эоцена Пакистана и происхождение плавания китообразных. Природа 368: 844-847.

Милинкович, М.С. и соавт. 1993. Пересмотренная филогения китов, предложенная последовательностями митохондриальной рибосомной ДНК. Природа 361: 346-348.

Прайс, SA 2005. Полная филогения китов, дельфинов и парнокопытных млекопитающих (Cetartiodactyla). Биологические обзоры 80: 445-473.

анонгудняня

+1 - Точно. Потому что там были моря, полные пищи. Это отличный пример того, как работает эволюция.

шигета

Красиво пиши! Я вижу, как у глубоководных куликов, таких как бегемот, могли появиться плавники, и они стали углубляться в воду, подобно тому, как это делают ламантины и морские львы. Филогенетическое дерево действительно помогает.

Майкл С Тейлор

@shigeta Спасибо, что напомнили мне о бегемотах. Я хотел включить их в свой ответ. Однако было уже поздно, и я заснул, поэтому вместо этого лег спать. :)

ПлазмаHH

Хотя «заполнение ниши» всегда звучит красиво, это должно означать, что ниша есть, т.е. что никакой другой уже существующий вид там не обитает. Учитывая, что водные животные, вероятно, с большей вероятностью приспособятся к нишам в воде, я думаю, должно быть еще одно преимущество, которое было у млекопитающих перед теми, кто пытался заполнить племянницу из воды. Может быть, что-то с изменением уровня воды (прилива)?

Майкл С Тейлор

@PlasmaHH Вы правы в том, что китообразные могли адаптироваться к вновь формирующейся нише. Возможно также, что ниша была там и пустовала. Например, ниши могли заполнить плезиозавры и ихтиозавры . Их вымирание оставило бы ниши пустыми. Нельзя с уверенностью сказать, что существующие водные организмы с большей вероятностью заполнили эти ниши, учитывая природу эволюционного процесса. Кроме того, ниши заполнялись в первую очередь рептилиями.

Джейсон Паттерсон

@PlasmaHH Также помните, что это не произошло за один большой скачок. Что-то, обитающее на суше, эволюционировало, чтобы стать немного более водным, а это животное — еще более водным, и так далее, пока у нас не появились полностью водные киты. Хотя это очень и очень не то, что произошло, достаточно легко представить, что что-то похожее на енота превращается в нечто похожее на выдру, тюленя и кита по очереди. Каждый шаг в цепочке приносит пользу виду, но ниша, которую заполнил последний вид, никогда не должна была существовать для первого.

HDE 226868

@MikeTaylor Спасибо за ответ; это довольно подробно и определенно отвечает на мой вопрос.

кбро

Извините, что так поздно прибыл на эту дискуссию - тем не менее, очень поучительная статья, @Mike Taylor. Что касается вопроса о том, почему млекопитающие лучше подходили для освоения этой ниши, чем их конкуренты из рыб и рептилий, я предполагаю, что теплокровность давала им преимущество.

Варбо

Как они эволюционировали от своей первоначальной формы до своего внешне ихтиоидного вида сегодня?

Это пример конвергентной эволюции . Рыбы выглядят такими, какие они есть (обтекаемая форма тела, широкий хвост, плавники и т. д.), поскольку они являются адаптацией к подводной среде, в которой они живут и развиваются. там сначала». Вместо этого мы можем думать о таких особенностях как о «благоприятных для океана».

Рептилии развивались на суше и, следовательно, в целом имеют внешний вид, отличный от рыб, но те, которые вернулись в океаны, чтобы стать ихтиозаврами, снова приспособились к жизни в этой среде. Поскольку они сталкивались с теми же проблемами, что и рыбы (сопротивление воды, необходимость маневрировать в 3D и т. д.), естественный отбор отдавал предпочтение тем же «благоприятным для океана» характеристикам, что и рыбы (но не исключительно; например, у черепах есть довольно другой внешний вид, который «благоприятен для океана», но не такой «рыбный»).

Когда млекопитающие отправлялись в океаны, они также сталкивались с теми же проблемами и с тем же давлением отбора, поэтому они также приобрели более «благоприятный для океана» вид.

HDE 226868

Отличный ответ. Идея конвергентной эволюции имеет большой смысл, и это довольно крутой механизм.