Живые роды и половые хромосомы помогли отвоевать океан у рыб

Ключевые способности для водного образа жизни — рождать живых детенышей и задавать пол зародыша во время оплодотворения. Проведя филогенетический анализ, ученые доказали, что эти признаки эволюционировали совместно и в мезозое позволили древним рептилиям освоить океан.

Живородящих рептилий гораздо больше, чем кажется, — около 20% видов. Ученые считают, что в эволюции пресмыкающихся способность к живорождению возникала многократно и у некоторых групп снова исчезала. Большое преимущество она дает при жизни в холодном климате.

В океане из яйца ничего не вылупится

Для жизни в океане способность рождать живых детенышей совершенно необходима. Зародыш нуждается в воздухе, который проходит сквозь скорлупу яйца, а растворенного в воде кислорода для этого недостаточно. Этим высшие позвоночные — амниоты отличаются от рыб и амфибий, у которых икра развивается в воде.

Морские змеи — единственные ныне живущие рептилии, которые постоянно живут в океане и там же размножаются. Они живородящие. Те морские млекопитающие — китообразные и сирены (например, ламантин), — кто полностью освоил водную стихию, также рожают детенышей в воде. Яйцекладущие водные или полуводные рептилии, например крокодилы или морские черепахи, вынуждены для размножения выбираться на сушу. И, значит, не могут полностью с ней порвать.

Марк Пейджел (Mark Pagel), профессор Университета в Рединге (University of Reading), и его коллеги из Музея сравнительной зоологии Гарвардского университета (Museum of Comparative Zoology, Harvard University) в Массачусетсе проверили, как эволюционировал другой связанный с размножением признак — способность к генетической детерминации пола. Этот признак невозможно проследить на основании палеонтологических данных.

Пол задают температура или хромосомы

У большинства крокодилов, ящериц и черепах пол зародыша изначально не задан. Кто вылупится из яйца — самка или самец, зависит от температуры окружающей среды, в которой развивается яйцо. Повышая или понижая температуру инкубации, можно изменить соотношение полов в потомстве.

Но у млекопитающих, птиц и некоторых других рептилий, а также у некоторых беспозвоночных пол зародыша определяется половыми хромосомами. У человека это X— и Y-хромосомы, у других животных они могут быть иными, но принцип состоит в том, что пол задается в момент оплодотворения.

Марк Пэйджел объясняет: «Генетическая детерминация пола — это большое преимущество, поскольку она обеспечивает баланс между мужским и женским полом в популяции. При температурном определении пола в зависимости от условий инкубации происходит перекос в сторону одного либо другого пола. В океане относительно стабильная температура, так что этот способ там вообще не проходит».

Биологи взяли массив данных по 94 ныне живущим видам животным, включающий их способ размножения (откладка яиц или живорождение) и способ задания пола. Построив филогенетическое дерево, используя байесовские методы анализа, ученые выяснили, что оба признака эволюционировали совместно. Причем генетическая детерминация пола предшествовала живорождению.

Учиться жить в воде нужно на суше

Ученые просчитали скорость эволюции того и другого признака и построили модель, позволяющую предсказывать эти признаки у разных видов. Сначала они проверили предсказательную точность моделей на семи современных видах и выяснили, что она работает. Затем перешли к предсказанию механизма детерминации пола у вымерших животных. Для анализа они взяли три самостоятельных группы морских рептилий — мозазавров, зауроптеригий и ихтиозавров. Все они широко расселились в океане в период между 251 млн и 100 млн лет назад.

Все эти животные дышали воздухом, но строение их тела максимально приспособлено к жизни в воде: конечности видоизменились в подобие плавников, исчезли кожные чешуи, тело стало максимально обтекаемым. Палеонтологические данные говорят, что они были живородящими. Об этом свидетельствует, в частности, хорошо сохранившийся отпечаток ихтиозавра в момент рождения детеныша. Причем детеныш рождается хвостом вперед, как у современных китов и дельфинов. Это важно при родах в воде, чтобы новорожденный не захлебнулся.

Примененная к древним морским рептилиям модель показала, что те использовали генетическую детерминацию пола. Ученые полагают, что она, так же как и живорождение, появилась у их предков еще в период пребывания на суше. И благодаря этому зубастые гиганты смогли успешно заселить океан.

Статья о том, что помогло сухопутным животным уйти в море, опубликована в журнале Nature.