Ведмеді, ці, здавалося б, типові представники ссавців, мають дивовижну таємницю, заховану в їхній еволюційній історії – – дві неймовірні зміни у стандартному плані зростання та пристосування. Уперше вчені розкрили, коли і як давні ведмеді порушили правила природи, щоб вижити у складних умовах.
Науковці Баварських державних природничо-наукових зібрань (Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns, або SNSB) – – великої наукової установи в Німеччині, що займається вивченням природничих наук – – ретельно дослідили щелепи ведмедів різних епох і виявили щось справді незвичайне для ссавців. З’ясувалося, що давні ведмеді не просто еволюціонували, щоб отримати нові зуби – – вони двічі переписали одне з основних правил, які регулюють розвиток молярів у ссавців. Ці зміни стали відповіддю на колосальні, спричинені кліматом, перетворення в їхньому раціоні. І що найцікавіше – – ці зміни досі помітні у всіх сучасних видах ведмедів.
Зуби – – це одна з тих недооцінених надздібностей у біології, яка може розповісти нам багато про еволюцію, екологію, поведінку, раціон і навіть клімат. Саме через свою міцність та інформативність зуби називають “чорною скринькою природи”. У більшості видів ссавців розвиток молярів відбувається за передбачуваною схемою. Кожен зуб, що формується, виділяє хімічні сигнали, які частково пригнічують ріст наступного, створюючи акуратно розташований градієнт вздовж щелепи. Ця модель “інгібіторного каскаду” (ІКМ) настільки надійна, що хижаків, травоїдних та всеїдних ссавців можна чітко розрізняти, порівнюючи їхні зуби. Наприклад, у хижих ссавців перший моляр зазвичай більший за третій, тоді як у травоїдних – – навпаки.
Однак ведмеді не вписуються в цю загальноприйняту схему. Їхній середній (другий) моляр є непропорційно великим, і вся родина ведмедевих завжди суперечила цьому закону природи. У новому дослідженні науковці вивчали щелепи ведмедів протягом мільйонів років – – від давніх скам’янілостей віком щонайменше 13 мільйонів років, що датуються міоценом, аж до сучасних видів. Метою було з’ясувати, чому ці ссавці порушили еволюційні правила двічі в історії – – і обидва рази це збігалося з періодами значних екологічних змін.
Перший еволюційний поворот – – епоха всеїдності
Перше значне порушення правил відбулося приблизно 3,6 мільйона років тому, в епоху пізнього пліоцену, у виду Ursus minimus (ведмедя мінімального). Цей вид вважається спільним пращуром більшості сучасних ведмедів. Його надмірно великий середній моляр свідчив про значний еволюційний зсув у розвитку порівняно з його попередником, Ursus boeckhi. Ці два види існували на межі періоду кліматичних потрясінь на території сучасної Європи, де в той час розвивалася ця гілка ведмежого генеалогічного дерева. Пліоцен – – це геологічна епоха, що тривала від 5,3 до 2,6 мільйона років тому, коли Земля переживала значні кліматичні зміни, що призвели до переходу від теплих лісів до більш прохолодних і сухих степів.
У Європі довкілля змінилося з теплих, вологих субтропічних лісів на більш прохолодні, сухі ландшафти, де переважали ліси та формувалися трав’яні рівнини. Дрібні хребетні, ссавці, що лазили по деревах, птахи та рептилії, які становили значну частину раціону U. boeckhi, стали менш поширеними. Натомість великі травоїдні ссавці, що заселяли ці нові відкриті простори, були занадто великими, щоб ці відносно невеликі ведмеді могли на них полювати. Однак, рослинна їжа – – коріння, цибулини, насіння, горіхи та безхребетні, як-от личинки жуків – – стали доступнішими. Це призвело до значного переходу ведмедів до більш всеїдного раціону, який вимагав іншого набору біологічних пристосувань.
Еволюція забезпечила це, коли у ведмедів зменшилися молекулярні інгібіторні сигнали, що вироблялися першим моляром (m1). Це означало, що другий моляр (m2) міг вільно рости незвично великим – – більшим, ніж це дозволяли стандартні правила розвитку молярів. Дослідники назвали цю нову конфігурацію “частковим інгібіторним каскадом”, оскільки загальна схема все ще відповідає загальному напрямку росту молярів за моделлю ІКМ в інших ссавців, але вся система зміщена вгору завдяки цьому надмірно великому середньому зубу. Таким чином, U. minimus з’явився з надмірно великим m2, що стало величезним відхиленням від правил розвитку ссавців.
Другий еволюційний поворот – – адаптація до рослинної їжі
Потім відбулося друге порушення правил приблизно 1,25 – – 0,7 мільйона років тому, під час переходу від раннього до середнього плейстоцену. Плейстоцен – – це геологічна епоха, що тривала від 2,6 мільйона до 11 700 років тому, відома своїми льодовиковими періодами та значними коливаннями клімату. У цей період трав’яні рівнини поширилися по всій Європі, а клімат став ще холоднішим. Предки доісторичних печерних ведмедів (Ursus spelaeus) – – Ursus deningeri – – стали дедалі більше травоїдними. І знову, в програму росту молярів було внесено корективи: цього разу зменшилися інгібіторні сигнали від m2, що призвело до збільшення третього моляра (m3), додавши більше здатності до подрібнення, щоб пристосуватися до раціону, що складався переважно з рослинної їжі.
Спадщина минулого у сучасних ведмедів
“Очевидно, баланс хімічних сполук, які пригнічують або активують ріст різних молярів, змінювався протягом цих періодів, – – зазначила Аннеке ван Хетерен, відповідальна за колекцію ссавців у SNSB. – – Ці зміни, ймовірно, пов’язані з адаптацією ведмедів до дієти в ході їхньої еволюції. На шляху від хижаків до всеїдних або травоїдних ведмеді пристосовувалися до зміненого спектру їжі, але не за моделлю ІКМ. Їхній раціон досі коливається від суто хижих до суто травоїдних, причому більшість сучасних ведмедів є всеїдними”.
Справді, мільйони років потому сучасні ведмеді все ще несуть ці давні модифікації. Бурі ведмеді (Ursus arctos) та американські чорні ведмеді (Ursus americanus) мають надмірно великі другі моляри, успадковані від всеїдних предків пліоцену. Білі ведмеді (Ursus maritimus), попри те, що вони є суто хижаками, також мають таку саму будову зубів, хоча вже не потребують її для подрібнення рослинної їжі. Навіть великі панди (Ailuropoda melanoleuca) зберігають цю схему, хоча їхній шлях еволюції значно відхилився – – вони мають посилені щелепи та видатні премоляри, а не збільшені моляри, для розгризання бамбука.
Хоча це може здатися звичайною еволюційною реакцією на мінливий світ, ІКМ є жорстко контрольованим правилом розвитку, яке регулює ріст молярів у більшості ссавців. Проте ведмеді знайшли способи обійти ці обмеження двічі, змінивши саму програму – – і це все ще очевидно в щелепах їхніх нащадків сьогодні.
Загадка окулярного ведмедя
Дослідники також звертають увагу на південноамериканського окулярного ведмедя (Tremarctos ornatus), як на вид, що не зовсім вписується в цю історію. Він має характерний шаблон великого m2, успадкований від давніх ведмедів, які порушували правила, але оскільки жоден з його вимерлих родичів з короткою мордою не був представлений у наборі викопних даних цього дослідження, вчені досі не знають, як розвинулося це незвичайне розташування зубів.
“Подальші дослідження повинні бути проведені на Arctotheriini, щоб визначити, чи відбувся подібний зсув в одному з пращурів T. ornatus“, – – зазначили вони.
Дослідження було опубліковано в журналі Boreas.
