Почему у млекопитающих не более 4 конечностей?

Количество ног у наземных позвоночных

Не только у млекопитающих четыре ноги, но и у всех наземных позвоночных (включая млекопитающих) четыре ноги. Однако есть небольшие исключения, поскольку некоторые линии лишились ног. Обычно у змей больше нет ног. Apesteguia и Zaher (2006) обсуждают эволюцию сокращения ног змей и сообщают об окаменелостях змей с крепким крестцом. Киты (киты и их друзья) потеряли свои задние ноги, но мы все еще можем разглядеть их на скелете. Взгляните, например, на косатку (касатка, легко узнаваемая по зубам) на картинке ниже. Обратите внимание на мелкие кости под его позвоночником на уровне с левой стороны рисунка.

Также хочу обратить внимание на важность определения ног. Я предполагаю, что мы бы назвали что-то парой ног, если это построено с использованием того же пути развития, что и существующие в настоящее время ноги. Если мы используем какое-то более широкое определение, то цепкий хвост , обнаруженный, например, у некоторых обезьян Нового Света, можно рассматривать как ногу (но только одну ногу, а не пару ног, очевидно). Список животных, имеющих цепкий хвост, можно найти здесь (Википедия) .

Вы сказали «Естественный отбор»?

Я думаю (может ошибаться), что у вас слишком селекционистский взгляд на эволюцию. Я имею в виду, что вы задаетесь вопросом, почему у млекопитающих четыре ноги, и ищете объяснение типа «потому что у млекопитающих есть такая потребность в передвижении и для этой цели четыре — самое оптимальное количество ног». Рассмотрим следующее предложение: «Если есть необходимость, естественный отбор найдет способ!». Эта фраза неверна! Эволюция не так проста. Этот ложный взгляд на эволюцию иногда называют панселекционистским.

Реальность такова, что не так просто развить такой радикальный путь развития, как наличие дополнительной пары ног, хорошо интегрированных в тело носителя этой новой черты. Такому человеку потребуется мозг, нервный код, сердце и некоторые другие особенности, которые приспособлены для того, чтобы иметь дополнительные ноги. Кроме того, если предположить, что такая вещь возникла, довольно сложно представить, как ее можно было выбрать. Чтобы пойти немного дальше, вы должны понимать, что в эволюции существует множество стохастических процессов (включая мутации и случайные изменения репродуктивного успеха), а организм — это часть сложного механизма, и его не обязательно легко трансформировать в какую-то другую форму, которая была бы более подходящей. эффективны (имеют более высокий репродуктивный успех). Часто переход от одной формы к другой может включать «пересечение долины». это означает, что если необходимо несколько мутаций, промежуточные формы могут иметь низкий репродуктивный успех и, следовательно, высокий генетический дрейф (стохастичность в репродуктивном успехе), чтобы пересечь такую ​​долину низкого репродуктивного успеха. ВидетьТеория подвижного баланса . Наконец, даже если происходит отбор по другому признаку, для изменения среднего признака в популяции может потребоваться время, особенно если генетическая изменчивость незначительна. Полная дискуссия о том, почему фраза «Если есть необходимость, естественный отбор найдет выход!» неправильно заняло бы целую книгу.

Gould (1979) — классическая статья на эту тему, которую очень легко читать даже неспециалисту.

Почему 4 ноги?

У наземных позвоночных четыре ноги, потому что они произошли от предка рыб, у которого было четыре члена, которые были не слишком далеки от настоящих ног (члены, которые могли «легко» эволюционировать в ноги). Это то, что мы называем филогенетическим сигналом . Объяснение такое же простое и элементарное. Ознакомиться с разнообразием наземных позвоночных можно здесь (нажмите на ветки).

Количество ног у беспозвоночных

Членистоногие (пауки (и другие хелицераты), насекомые (и другие шестиногие), ракообразные (крабы, креветки…) и многоножки (многоножки) и трилобиты также)) произошли от общего предка, имевшего сильно сегментированное тело. От этого предка многие группы слили некоторые сегменты. В этих таксонах каждая пара ног прикреплена к определенному сегменту (я не думаю, что сегменты все еще видны у пауков сегодня). У насекомых, например, все 6 ног прикреплены к груди, но к трем различным сегментам груди, промезо и заднегруди (см. ниже).

В качестве примечания интересно узнать, что крылья у насекомых не произошли от ног (как в случае с птицами и летучими мышами). Существуют две конкурирующие гипотезы происхождения крыльев насекомых. Крылья развились либо из жабр, либо из склерита (хитиновой пластинки, твердой части насекомого). Когда у насекомых появились первые крылья, у них фактически развилось три пары крыльев (по одной на каждом сегменте грудной клетки). По крайней мере, одна пара была потеряна у всех современных видов. У двукрылых вторая пара крыльев утрачена и заменена жужжальцами, что особенно легко заметить у журавлей (см. рисунок ниже). У многоножек связь между сегментацией и ногами еще более очевидна (см. рисунок ниже). Ознакомиться с разнообразием членистоногих можно здесь (нажмите на ветки).

Картинки

Обновление 1

На вопрос, насколько вероятно, что данная популяция разовьет данный признак, чрезвычайно трудно ответить. Есть две основные проблемы: 1) определение проблемы вопроса и 2) проблема знаний. Запрашивая вероятность, всегда нужно указывать априорное знание. Если все известно априори, то нет ничего стохастического (вне квантовой физики). Итак, чтобы ответить на вопрос, нужно решить, что мы принимаем как должное, а что нет. Второй вопрос – это вопрос знаний. У нас далеко не достаточно знаний в области биофизики белков (и многих других областей), чтобы ответить на этот вопрос. Есть так много параметров, которые нужно учитывать. Я ожидаю, что для создания третьей пары ног потребуются серьезные изменения, и поэтому одной мутации никогда не будет достаточно для развития третьей пары ног. Но,

По примеру крыльев насекомых. Насекомые имели три пары крыльев. В то время как некоторые мутации предотвратили экспрессию третьей (фактически первой) пары, большая часть генетической информации для этой третьей пары остается в генотипе насекомых, поскольку они все еще используют ее для двух других пар. Воспользовавшись этим, Membracidae (древесные прыгуны) развили некоторые черты, используя биохимический путь, аналогичный тому, который использовался для развития крыльев. Эти структуры используются в качестве защиты или мимикрии Бейтса .

Обновление 2

Давайте представим, что произошла чрезвычайно маловероятная серия мутаций, в результате которой появился грызун с 6 ногами. Давайте представим, что у этого грызуна с шестью ногами сердце больше, чтобы перекачивать кровь к этим дополнительным ногам, и у него есть мозг, приспособленный к использованию шести ног, и некоторые изменения в его нервном тяже, чтобы он мог управлять своей 3-й парой ног. Будет ли этот грызун иметь более высокий репродуктивный успех, чем другие особи в популяции? Что ж… давайте представим, что со своими шестью ногами он может бегать быстрее или что-то в этом роде и обладает очень высокой физической подготовкой. Как будет выглядеть потомство шестиногой матери (или отца) и четвероногого отца (или матери)? Сможет ли он размножаться? Видите ли, проблема в том, что такой черте трудно прийти к существованию, потому что 1) для этого требуется много шагов (мутаций) и 2) трудно представить, как ее можно было бы выбрать.

Что ж, давайте предположим, что это так, и, как следствие, примерно через 200 поколений вся популяция состоит только из шестиногих особей. Может быть, тогда этот вид вымер, и окаменелости так и не были найдены. Это возможно. Мы обязательно находим что-то в летописи окаменелостей не потому, что что-то существовало.

Я думаю, что могу интерпретировать ваш вопрос как вопрос не только о том, почему у млекопитающих нет более четырех конечностей, но и о том, почему у членистоногих больше разнообразия. У насекомых их шесть, а у других восемь, десять или больше.

Отчасти там просто гораздо больше видов членистоногих. 80% видов животных являются своего рода членистоногими, а некоторые линии членистоногих отдаленно связаны друг с другом, потому что членистоногие как группа существовали с кембрийского периода. С таким большим количеством видов неудивительно, что им удалось добавить дополнительное разнообразие.

Хотя может показаться, что насекомые и пауки более тесно связаны, чем, скажем, люди и рыбы, на самом деле верно обратное. На самом деле, насекомые отделились от других членистоногих примерно в то же время, когда рыбы диверсифицировались в три основных линии, которые в конечном итоге стали хрящевыми рыбами (акулы и скаты), рыбами с лучевыми плавниками («обычными») и рыбами с кистеперыми плавниками. (латимерии и двоякодышащие рыбы). Все это произошло примерно в одно и то же время, с геологической точки зрения, около 400 миллионов лет назад. Некоторые древние двоякодышащие рыбы вскоре после этого выползли на сушу, дав начало наземным животным. Так что в свете этого неудивительно, что у членистоногих так много разнообразия в строении тела — вы не слишком похожи на лиственного морского дракона (надеюсь).

Но, возможно, другой взгляд на это связан с трудностями, связанными с адаптацией строения тела этих различных типов животных. Членистоногие имеют сегментированное тело. У некоторых членистоногих, особенно у многоножек (многоножек, многоножек и т. д.), существует довольно простое расположение одного сегмента к одной паре ног (за исключением головы). Позвоночные тоже имеют сегментированный план тела, но наши сегменты не так хорошо разделены. У позвоночных «сегмент» примерно равен одному позвонку. Так как у позвоночных нет привычки прикреплять пару ног к каждому позвонку, отрастить больше ног сложнее. Вместо этого у позвоночных есть внутренние скелеты со знакомыми бедрами и плечами наземных животных. Позвоночные действительно имеют удачу, адаптируя внутреннюю структуру, когда им это нужно. Большинство из них используют традиционную схему с четырьмя ногами, но люди, птицы, киты и змеи внесли в нее довольно значительные изменения. Но внутренне это все те же знакомые бедра и плечи — нужные кости есть даже у змей. Еще через несколько сотен миллионов лет они могут полностью исчезнуть, но похоже, что базовую структуру кости изменить сложно. Кто знает, может быть, через сто миллионов лет потомки змей в далеком будущем снова обретут ноги и вырастут шесть или восемь вместо четырех! но кажется, что базовую структуру кости изменить сложно. Кто знает, может быть, через сто миллионов лет потомки змей в далеком будущем снова обретут ноги и вырастут шесть или восемь вместо четырех! но кажется, что базовую структуру кости изменить сложно. Кто знает, может быть, через сто миллионов лет потомки змей в далеком будущем снова обретут ноги и вырастут шесть или восемь вместо четырех!

Итак, в целом, я бы сказал, что две основные причины заключаются в том, что строение тела членистоногих просто немного более гибкое из-за его более высокой степени модульности, и что различные виды членистоногих на самом деле более отдаленно связаны, чем вы могли бы ожидать.

Ответ Remi.B превосходен, я просто попытаюсь объяснить с помощью генных сетей:

В генетике мы видим, что новые гены «связываются» со старым геномом путями регуляции и «подходят» только в контексте существующего генома. Это приводит к тому, что старые гены становятся незаменимыми. Измените их, и вы порвете всю сетку. Если вы хотите увеличить количество конечностей, вам придется заняться этим с генами HOX, которые контролируют основной план тела. Они очень древние, происходящие от общего предка мух и людей [1]. Так что, как правило, эти гены будет очень трудно мутировать, не разрушив все.

Другая линия рассуждений заключается в том, что гены HOX не только появились на ранней стадии эволюции, но и экспрессируются на ранних стадиях развития эмбриона. Когда все, что происходит в развитии, зависит от того, что этому предшествовало, мутации в генах HOX имеют больше шансов что-то разрушить, чем мутации, которые проявляются только на поздних стадиях развития. Здесь я выхожу на уступ, но учтите, что цвет волос, кожи и глаз человеческого младенца часто проявляется не полностью в течение нескольких месяцев после его рождения, а также примите во внимание диапазон безвредных вариаций этих цветов. Эти поверхностные цвета не влияют ни на что другое, поэтому соответствующие гены могут свободно мутировать в большое разнообразие.

[1] http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n1/box/nrg0101_033a_BX1.html

Вот более морфологический, менее генетический ответ:

Согласно Sansom 2013, 2 набора парных придатков (плечевой и тазовый) были высечены в камне, когда бесчелюстные превратились в челюстноротых (то есть, когда у первых позвоночных организмов начали развиваться челюсти, анатомическое изменение, которое позволяет классифицировать различные этапы истории). найдены в летописи окаменелостей). Они обнаружили вариации, в которых у бесчелюстных был парный набор анальных плавников (своего рода 3-й набор парных придатков, поскольку анальные плавники обычно непарные).

Теперь, продвинувшись на миллионы лет вперед, Sarcopterygii (рыбоплавниковые рыбы) превратились в четвероногих (наземных позвоночных с 4 конечностями, включая амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих), этот образец (2 набора парных конечностей) стал неизменным, хотя и гораздо менее фундаментальные вариации на протяжении филогенеза различных четвероногих.

Сансом Р.С., Гэбботт С.Е., Пурнелл М.А. 2013 Необычный анальный плавник девонского бесчелюстного позвоночного показывает сложное происхождение парных придатков. Биол. письмо 9: 20130002.