Челюсти древних животных оптимизировали силу и скорость укуса

Эволюция челюстей у ранних позвоночных была чрезвычайно важным событием. Окаменелости показывают, что самые первые челюстные рыбы появились в начале девонского периода, чуть более 400 миллионов лет назад. До этого все рыбы были бесчелюстными, подобно современным миксинам и миногам. Челюсти позволяли позвоночным использовать широкий спектр источников пищи и становиться грозными хищниками.

Однако исследовательская группа под руководством Бристольского университета показала, что рыбы с самыми ранними челюстями находились в компромиссе между максимальной силой челюстей и скоростью укуса. Большие и сильные челюсти позволяли рыбам справляться с крупной добычей, но вес этих челюстей делал невозможной молниеносную реакцию. Похоже, что независимо от того, как именно ранние виды рыб использовали свои челюсти, они всегда сталкивались с одним и тем же компромиссом.

Челюсти развились из жаберных дуг бесчелюстных рыб; эти структуры поддерживали жабры ранних рыб и поэтому выполняли скорее функцию газообмена. На самом деле, первоначальное селективное преимущество, полученное рыбами с челюстями, вероятно, было связано с повышением эффективности газообмена, а не с питанием. Однако преимущества челюстей для питания вскоре должны были сделать эту функцию основной. Челюсти всех позвоночных, включая человека, произошли от челюстей ранних рыб.

Результаты новой научной работы были опубликованы в издании Science Advances. Авторы изучили эволюцию животных, разработав математические модели для их описания. Затем они представили себе ряд теоретических форм челюстей, которыми могли пользоваться ранние рыбы, и прогнали их через модель, чтобы охарактеризовать и сравнить с реальными ископаемыми челюстями.  

Предыдущие исследования показали, что челюсти в ископаемых останках ранних рыб довольно похожи друг на друга, не демонстрируя практически никакой диверсификации и радиации, которую эволюционные биологи могли бы ожидать от столь полезного новшества. Однако когда исследователи проверили все различные формы челюстей (как реальные, так и теоретические) на прочность (вероятность их поломки) и скорость (эффективность открывания и закрывания), они обнаружили, что челюсти ранних рыб представляют собой оптимальный компромисс между этими двумя факторами. Они достигли этого оптимального компромисса уже на ранних этапах эволюционной истории.

По словам исследователей, их результаты показывают, что многие таксоны рыб независимо друг от друга выработали схожую морфологию челюстей, представляющую собой компромисс между силой и проворством, и что это свидетельствует о повсеместной конвергенции формы челюстей. Поскольку этот оптимум был достигнут очень рано в эволюции челюстей, они считают, что это подтверждает идею о том, что ранние челюсти вскоре были приспособлены для хищнической функции, которая требовала как скорости, так и силы. 

По словам соавтора исследования профессора Филипа Донохью, самые ранние челюстные позвоночные имеют челюсти всех форм и размеров, что, как долгое время считалось, отражает адаптацию к различным функциям. "Наше исследование показывает, что большинство из этих вариаций были одинаково оптимальны для силы и скорости, что делало их грозными хищниками".