Большая группа исследователей, работавшая в рамках международной научной программы по реконструкции древа жизни ATOL (Assembling the Tree of Life), реконструировала общего предка и построила наиболее полную картину эволюции плацентарных — самой распространенной и самой высокоразвитой группы млекопитающих животных, отличающейся также огромным видовым разнообразием (в настоящее время к плацентарным принадлежат более пяти тысяч видов млекопитающих, в том числе приматы и человек). Полученные результаты вносят ясность в историю происхождения и адаптации этой группы живых существ к изменявшимся условиям окружающей среды (в том числе климатическим), а также помогут понять, как плацентарные будут эволюционировать в дальнейшем.
В большой итоговой статье, опубликованной в ночь на пятницу в Science, уточняется и временной рубеж, когда в группе древних плацентарных выделилась линия, ставшая предковой для всех современных представителей этой группы.
Вопреки существующим представлениям, общий предок современных плацентарных не был современником динозавров
и жил после мел-палеогенового вымирания — одного из пяти великих массовых вымираний, случившегося 65 млн лет назад.
Большая эволюционная ветвь, занимаемая плацентарными, была детально реконструирована на основе анализа и сопоставления огромного массива данных двух типов — молекулярных (генетического кода ДНК) и анатомических, которые охватывают несколько тысяч морфологических признаков, отличающих (или когда-то отличавших) одну разновидность плацентарных от другой. Сведением этих данных воедино и построением итоговой эволюционной матрицы занималось две команды — генетики и специалисты по таксономии (систематической классификации) плацентарных.
«В области исследований млекопитающих существовало сильное разделение между теми, кто изучает ДНК, и теми, кто изучает морфологию. До этого проекта у них просто не было возможности поработать вместе по-настоящему», — объясняет преимущества работы в ATOL один из авторов статьи палеонтолог Джон Уибл, куратор отдела млекопитающих музея естественной истории Карнеги.
Поскольку ДНК со временем деградирует, источником данных по генетической эволюции плацентарных стали расшифрованные ДНК современных представителей этой группы, а также некоторые реконструированные последовательности ископаемых ДНК не старше 30 тысяч лет. В свою очередь, база данных по морфологии охватывала 86 видов плацентарных (включая 40 вымерших) и 4500 анатомических признаков, характеризующих эти виды (вплоть до таких детальных, как окраска шерсти, форма клыков или особенности строения мозга), а для ее составления использовался MorphoBank, мощная облачная база данных по морфологии живых существ, регулярно пополняемая учеными всего мира.
В общей сложности число учтенных признаков (4500) почти на порядок превышало число признаков, на основе которых исследовались до этого родственные связи плацентарных (не более 500).
«Не сказать, что генетика и данные морфологии не комбинировались раньше, но на этот раз объем анализированной информации вырос просто феноменально», — признает один из участников исследования Мишель Сполдинг.
Благодаря такому объему данных, стало возможным более точно определить, когда жили, как эволюционировали и как могли выглядеть некоторые вымершие виды, какие анатомические признаки появлялись раньше, какие позже, а также установить примерное время, когда от эволюционного древа отделился общий предок всех современных плацентарных, и примерно реконструировать его внешний облик. Естественно, эта реконструкция, учитывающая предположительную массу тела, тип шерстяного покрова, число зубов и ряд других признаков, остается чисто гипотетической — ископаемых останков самых древних плацентарных насчитывается пока что очень мало, но реконструкция поможет их правильно интерпретировать.
Как бы то ни было, общим предком людей, китов и других млекопитающих, вынашивающих свое потомство внутри плаценты, был зубастый зверек с вытянутой мордой, короткой шерстью, длинным хвостом и размером с крысу.
Зверек питался насекомыми и жил спустя примерно 200–400 тысяч лет после события, известного как мел-палеогеновое вымирание, результатом которого было исчезновение с лица Земли 70% живых видов, в том числе динозавров.
Каким образом удается проследить историю эволюции живых существ до сотен миллионов лет назад, выясняя время появления и внешний вид организмов, которые были общими далекими предками современных животных, совершенно, на первый взгляд, друг на друга не похожих?
Делать это позволяют два массива данных. Один содержит подробные описания анатомического строения всех животных, в том числе и некоторых вымерших, позволящие объединять их в родственные группы по определенным физическим признакам. Второй представляет собой расшифрованные ДНК животных, в которых содержится передаваемая по наследству информация (гены), отвечающая за формирование этих признаков у организмов. Имея на руках расшифрованные геномы, можно определить как степень близости геномов различных видов, так и проследить историю их формирования, взяв за шкалу отсчета известную среднюю скорость накопления изменений (мутаций) в генах.
В принципе, одних данных генетики для построения эволюционных деревьев вполне достаточно, но на практике из-за разной скорости мутаций и некоторых других факторов, «хронология» таких деревьев может быть очень неточной. Наиболее оптимальным методом, позволяющим, двигаясь по такому дереву сверху вниз, выявлять общих предков, является комбинация данных генетики с максимально возможным числом выявленных физических признаков, отличающих один вид животных от другого.
Так, в случае с плацентарными, новая, комбинирующая данные морфологии и генетики, датировка опровергла датировку, существовавшую до этого и полученную на основе лишь молекулярно-статистического анализа ДНК, и согласно которой предки современных плацентарных уже жили в среднем меле, застав эпоху динозавров в самом ее расцвете. Данные морфологии категорически этому противоречили, и разрешить конфликт теорий было одной из целей проекта ATOL.
Сейчас картина прояснилась: по всей видимости, массовое вымирание на границе мела и палеогена стало эволюционной прелюдией последовавшего за этой катастрофой численного взрыва и роста видового разнообразия плацентарных, результатом которого стало и выделение предковой линии современных плацентарных.
Помимо этого, построенное филогенетическое дерево плацентарных поставило под вопрос и некоторые другие представления об эволюции этой группы. Так, выяснилось, что одна из ветвей плацентарных афротерии (которая называется так потому, что ее современные представители, к которым принадлежат слоны и трубкозубы, живут в Африке) происходит не с африканского континента, а из северной и южной Америки.
Также полученные данные противоречат еще одной теории, согласно которой видовое разделение плацентарных усилилось после разделения древнего суперконтинента Гондваны. На новом «дереве жизни», построенном с учетом большего числа данных, эти явления исторически никак не связаны.