Появление шеи стало важным изменением на пути от рыб к наземным позвоночным. Голова отделилась от плечевого пояса и получила возможность двигаться независимо от туловища. Долгое время считалось, что именно свобода движений помогала древним животным осваивать мелководье и сушу, позволяя менять положение головы при поиске и захвате пищи.
Одним из главных примеров стал тиктаалик — ископаемая рыба, сочетавшая рыбьи признаки с особенностями будущих четвероногих. Ученые описали его еще в 2006 году и назвали подвижную шею одной из отличительных черт наряду с устройством плавников, напоминавших конечности.
Тиктаалик еще сохранял чешую и плавниковые лучи, а его нижняя челюсть и небо напоминали более примитивных рыб, поэтому речь шла о промежуточном сочетании признаков. Изучение таких форм важно для понимания порядка изменений. Речь идет о процессе, когда конечности, шея и способы опоры на дно необязательно возникали одновременно и сразу выполняли те функции, которые знакомы нам по современным животным.
Теперь ученые из США и Канады предложили оценить подвижность древней шеи с помощью механических испытаний современных осетров, а затем переносить измеренные свойства тканей в модели ископаемых животных. Результаты исследования опубликовал журнал Nature.
Выбор осетров объясняется тем, что позвоночник ранних четвероногих сохранял хорду — длинный упругий стержень внутри тела. При этом отдельные костные и хрящевые элементы располагались вокруг нее, поэтому такой позвоночник работал иначе, чем цепочка позвонков с суставами.
У осетров хорда именно в таком виде тоже присутствует, хотя они не близкие родственники первых четвероногих. Исследователи препарировали позвоночные структуры 10 годовалых рыб и на испытательной машине измеряли сопротивление боковому изгибу, разгибанию и скручиванию, проверяя как позвоночный столб, так и выделенную хорду.
Полученные характеристики объединили с размерами и формой скелета шести ископаемых животных, включая тиктаалика, акантостегу, грирерпетона и ватчерию. При расчетах учитывали также пространство для мышц. Ученые оценивали, какую силу те могли развивать и хватило бы ее, чтобы согнуть шею на определенный угол.
Оказалось, что у тиктаалика возможное боковое отклонение головы составляло примерно пять градусов, а у акантостеги, грирерпетона и тримерорахиса — менее трех градусов. Подъем головы у большинства рассмотренных форм тоже был небольшим, а скручивание шеи вокруг продольной оси оказалось практически недоступным.
Исключением стала ватчерия: модель допустила боковое отклонение примерно на 32 градуса и подъем головы на 12 градусов благодаря значительно более длинной шее. Однако такие расчеты могут иметь погрешность, поскольку свойства тканей животных восстановлены через современный аналог, а кожа, мышцы и другие окружающие структуры могли дополнительно ограничивать гибкость.