Эволюция китов и дельфинов

Пожалуй, самое впечатляющее - это то, что они полностью водные млекопитающие, окончательно потерявшие связь с сушей.

Некоторые поросята любили купаться, и не заметили как стали китами :) Оказывается киты и парнокопытные настолько близки, что их хотят объединить в одну группу!

 Эволюционная история китов как одного из самых специализированных отрядов млекопитающих, для биологов, оставалась загадкой даже в XX в.

Когда, в 1945 г., Дж.Симпсон составлял систему эволюционных отношений между млекопитающими, на основе имеющихся на тот момент палеонтологических данных, отметил что о китообразных имеются очень скудные данные и поместил этот отряд независимо от других, связав его историю лишь с общим гипотетическим предком плацентарных.

  По истечению двух десятилетий палеонтологи нашли большое количество остатков древних китов и их предков, которые относились к эоценовому периоду (55–34 млн лет назад). Это время когда древние киты (археоцеты – Archaeoceti) только начали "входить" в воду. Кости китообразных находили в более поздних олигоценовых (34–24 млн лет назад) слоях.

Тогда происходило становление уже двух современных подотрядов этой группы – зубатых и усатых китов. Проведенная переоценка родственных отношений между живущими отрядами млекопитающих, основанная на сходстве белков иммунной системы, показала что киты ближе всего к парнокопытным (оленям и быкам, жирафамы и бегемотам).

Остаточные элементы в скелетах дельфинов подтверждают, что они произошли от каких-то наземных четвероногих млекопитающих. Анализы крови позволили предположить, что китообразные, к которым относятся дельфины, и копытные - родственники. Когда-то они вернулись с суши в водную стихию (возможно, это было связано с какой-то глобальной катастрофой), со временем утратив задние конечности и приобретя плавники.

Приблизительно 35 миллионов лет назад эти ластоногие животные были размерами как небольшие киты - приблизительно 9 метров в длину, имели острые зубы и EQ около 0,5.

И вот с этого момента происходит некая загадочная перемена - старые разновидности непонятным образом вымирают, заменяемые новой группой, которую именуют Odontoceti (подотряд зубатых китов), и которая включает в себя современных дельфинов, белуг, нарвалов и морских свиней (морская свинья - один из видов дельфинов; только в нашей фауне насчитывается около 20 разных видов дельфинов).

Похожее по теме... Дельфины: иной разум на ЗемлеПравда ли, что китообразные являются разумными существами, и почему в Индии и во многих других странах запретили дельфинарии?   

Было обнаружено явное сходство между трехвершинными зубами вновь открытых ископаемых китов и группы хищных кондиляртр – мезонихий (Mesonychia).

Также было обнаружено сходство между зубными характеристиками парнокопытных и другой, очень близкой к мезонихиям, группы кондиляртр – арктоционов (Arctocyonids).

Исследователи, проводившие эту работу, пришли к выводу, что китообразные произошли от плотоядных, напоминавших своим обликом волков мезонихий, а те, в свою очередь, имели общего предка с парнокопытными (схема А ) 

  По прошествии десятка лет палеонтологи, во время экспедиции американского палеонтолога Филиппа Джинджериша (P.Gingerish) в Пакистане, получили дополнительный материал. Они искали остатки эоценовых наземных млекопитающих в местах где они уже находились, но им попадались только морские организмы.

Около 50 млн лет назад в этом районе проходила, меняющаяся со временем, береговая линия древнего моря Тетис, которое разделяло на протяжении большей части эоценового периода Евразию и Африку. Среди остатков рыб и моллюсков палеонтологами были найдены два фрагмента тазовых костей, явно принадлежавших относительно крупным «ходящим» животным. В то же время в другой части Пакистана была обнаружена челюсть примитивного парнокопытного.

Китовый ус уникален для усатых китов, но зубатые киты, не имея его, тем не менее, также являются китами. Поэтому данный признак нельзя считать каким-то основополагающим: это частная адаптация одной группы китообразных. На протяжении следующего за эоценом олигоценового периода уровень моря понизился. «Прото-Индия» соединилась с Азией (результатом этого «столкновения» стало возникновение Гималаев), а Австралия и Антарктида удалились друг от друга, в результате чего образовалось широкое свободное кольцо морей в Южном полушарии. Возникло южное циркумполярное течение, начал образовываться ледяной панцирь.

Это создавало новые условия для живущих в морях млекопитающих, что, по мнению ряда специалистов, и привело к возникновению современных подотрядов – усатых и зубатых китов. Наиболее древней известной переходной формой между ними и древними археоцетами является Llanocetus, первичный усатый кит, найденный в антарктических отложениях возрастом около 34 млн. лет. Судя по всему, он вполне мог питаться крилем. Зубатые же киты, по мнению специалистов, возникли примерно в то же время, развивая способности к эхолокации, которая позволяла активно охотиться в глубине. 

 Спустя два года в Северном Пакистане экспедицией Джинджериша была обнаружена еще одна странная находка. Это был кусок черепа странного создания размером с волка. Рядом были обнаружены остатки других млекопитающих, на этот раз наземных, живших около 50 млн лет назад. Однако череп найденного неизвестного зверя имел черты, напоминавшие некоторые детали строения слуховой системы современных китообразных.

  В водной и воздушной среде звуковые волны распространяются по-разному. У китов которые живут в наше время нет наружного уха, а слуховой проход, ведущий к среднему уху, или крайне сужен, или вообще отсутствует. Барабанная перепонка утолщена, неподвижна и не выполняет те функции, которые свойственны наземным животным. Их у китов берет на себя так называемая слуховая булла – особое костное образование, изолированное пазухами. Булла в черепе неизвестного животного, открытого Джинджеришем, хотя и не была по-настоящему «китовой» и явно не могла обеспечить хороший подводный слух, но тем не менее отличалась достаточно характерными изменениями.

Интеллектуальная эволюция дельфинов началась 47 млн лет назад. Следующий скачок случился еще через 20 млн лет - мозг снова стал крупнее и по своим параметрам приблизился к нынешнему человеческому. А 15 миллионов лет назад восемь из 67 разновидностей Odontoceti (включая дельфинов) через прошли через второй этап повышения EQ  достигнув коэффициентов 4 и 5, хотя причины этого второго эволюционного скачка остаются совершенно невыясненными. Есть только один подобный случай "взрывного" развития "умственных способностей" среди крупных животных, известный на сегодняшний момент ученым: за пять миллионов лет человеческой истории EQ вырос от приблизительно 2,5 до 7. При этом "умственные способности" оставшейся части "дельфиньего племени" почему-то наоборот снизились.

По сути, в то время дельфины были единственными столь "башковитыми" существами на Земле. Более-менее разумный человек появился лишь спустя 10 млн лет, начав эволюцию с гораздо меньшим мозгом.

Выходило, что это существо – его назвали по месту находки пакицетусом (Pakicetus) – могло быть одной из первых эволюционных ступенек на пути перехода от наземных животных к китообразным. В то же время можно было предполагать, что загадочный зверь имел и обычную функциональную барабанную перепонку, позволяющую воспринимать звуки, разносящиеся по воздуху, – на земле он пока проводил никак не меньше времени, чем в воде.

Эхолокация – система ориентации в пространстве по задержке возвращений отраженной звуковой волны – появилась у предка нынешних дельфинов и зубатых китов более 28 миллионов лет назад. 

  Примерно в то же время другая группа палеонтологов также обнаружила остатки этого животного, а именно фрагмент нижней челюсти и несколько отдельных зубов. Их строение вполне подтверждало связь пакицетуса с мезонихидами, чьи остатки, кстати, были известны примерно из той же местности и тех же временных слоев. Так что все, казалось бы, становилось на свои места: мезонихиды или их близкие родственники действительно «могли претендовать» на роль предков первых китообразных.

  В эоцене море было очень благоприятным для заселения млекопитающими. Теплые заливы Тетиса кишели рыбой, обещая сытную жизнь, а ниша крупных морских хищников оказалась относительно свободной. Хотя акулы и крокодилы продолжали чувствовать себя очень неплохо, многочисленные в мезозое водные пресмыкающиеся – плезиозавры, мозазавры и им подобные – теперь исчезли из морских просторов.

Соотношение суши и моря 50 млн лет назад

  Но вскоре проводить дальнейшие изыскания в Пакистане стало невозможно – в 1983 г. началась война в Афганистане и весь регион превратился в «горячую точку». Увлекшийся поисками китов Джинджериш переносит работы в Египет, в пустынную долину в 95 милях к юго-западу от Каира – долину Зеуглодона, названную так в честь сделанных здесь в начале XX в. находок архаичных китов зеуглодонов (Zeuglodon). В эоцене большая часть Египта, как и Пакистана, была дном моря Тетис – ныне же остатки животных, бороздивших его воды, лежат вмурованными в песчаник. После нескольких полевых сезонов Джинджериш с командой обнаружил тонкие задние конечности, принадлежавшие 18-метровой «морской змее» – древнему киту базилозавру (Basilosaurus).

Зеуглодон

  Находки базилозавров – животных, ведших, без сомнения, исключительно водный образ жизни и никогда не выходивших на сушу, были известны и ранее. Базилозавры плавали в древних морях примерно 40–37 млн лет назад. Но вот про наличие у них задних ног никто ничего не знал потому, что находили только отдельные части бедренных костей, которые палеонтологи считали рудиментарными. Джинджериш показал, что у базилозавров были ноги! Правда, совсем маленькие – менее полуметра. Использовались ли они как-нибудь или просто были рудиментами, непонятно.

Вряд ли они могли сильно помочь при плавании и уж точно не могли быть использованы для выхода на сушу. Было высказано предположение, что огромные змеевидные базилозавры могли использовать их для брачных объятий, удерживая друг друга в колышащихся волнах. Важно, что спустя 10 млн лет после пакицетуса некоторые из древних китов все еще имели конечности. Между этими существами оказалось возможным провести, хотя и предположительно, связь. «Киты с ногами» оказались реальностью.

Никто из биологов не сомневается, что дельфины стоят почти на вершине биологической эволюции. Многие исследователи ставят их на второе после человека место, отодвигая на третье обезьян, которые гораздо больше похожи на людей. Но наличие разума - более тонкий вопрос.
Мозг дельфина по некоторым параметрам превосходит даже человеческий. Он больше весит, в нем больше извилин. Правда, он уступает мозгу людей по коэффициенту энцифализации, но кто сказал, что именно это истинный критерий разумности?

Если сравнивать эволюцию человека и дельфина, то прежде всего нужно сказать, что они пошли другим путем. 70 миллионов лет назад они ушли в воду в поисках пищи и спасаясь от хищников. Сначала их предки гуляли по прибрежным водам, но потом все дальше уходили в океан. Их тела сильно изменялись, приспосабливаясь к водной среде. Исчез шерстяной покров и задние ноги. Передние конечности стали плавниками. Кожа стала гладкой, форма тела обтекаемой. И поэтому сегодня некоторые люди путают их с рыбами. 

А еще позже Тьюиссену, Джиндеришу и другим палеонтологам удалось найти окаменелости, позволявшие восстановить последовательные стадии перехода китов от околоводного к океаническому образу жизни. Были найдены остатки длинномордых ремингтоноцетид (Remingtonocetids, например кутхицетуса – Kutchicetus) и протоцетид (Protocetids, например родоцетуса – Rodhocetus), также произошедших от каких-то «пакицетоподобных» предков на берегах Тетиса. От протоцетид произошли уже вполне «дельфинообразные» дорудоны (Dorudon) – возможные предки базилозавров и современных китов, постепенно расселившихся по всем морям земного шара. 

Дорудон 

  На протяжении следующего за эоценом олигоценового периода уровень моря понизился. «Прото-Индия» соединилась с Азией (результатом этого «столкновения» стало возникновение Гималаев), а Австралия и Антарктида удалились друг от друга, в результате чего образовалось широкое свободное кольцо морей в Южном полушарии. Возникло южное циркумполярное течение, начал образовываться ледяной панцирь. Это создавало новые условия для живущих в морях млекопитающих, что, по мнению ряда специалистов, и привело к возникновению современных подотрядов – усатых и зубатых китов. Наиболее древней известной переходной формой между ними и древними археоцетами является Llanocetus, первичный усатый кит, найденный в антарктических отложениях возрастом около 34 млн лет. Судя по всему, он вполне мог питаться крилем. Зубатые же киты, по мнению специалистов, возникли примерно в то же время, развивая способности к эхолокации, которая позволяла активно охотиться в глубине.

Если какие-нибудь внеземные цивилизации и будут устанавливать контакт с жителями Земли, то уж ни как не с людьми, а скорее с дельфинами. Люди на Земле являются паразитами, причем совершенно безмозглыми, а, точнее – неадекватными. Прекрасно понимают, что рубят сук, на котором сидят, но продолжают это делать, уничтожая планету своей деятельностью.
То ли дело дельфины, ушли в воду, которой на Земле много и не парятся о жилплощади, одежде, политике, зарплате и техническом прогрессе. Живут в гармонии с природой. Раньше люди были слишком примитивны и не могли видеть цивилизации дельфинов, но теперь смогли оценить, на сколько эти млекопитающие обитатели глубин превосходят нас в развитии, о котором можно судить хотя бы по их способу общения.

  К сожалению, находки остатков первых представителей двух современных отрядов крайне редки. Понижение уровня моря в олигоцене осушило прибрежные районы, которые могли содержать эти остатки, и они подверглись разрушению. Но раскопки в более поздних слоях показывают, что немного времени спустя, 30 млн лет назад, настоящие усатые и зубатые киты были представлены несколькими семействами.

 Находки же более древних археоцетов и их предков позволяли восстанавливать и пути перехода китообразных к постоянной жизни к океане.

 Как было сказано, уже пакицетус имел определенные преобразования в слуховой системе, характерные для китов. Тьюиссен предположил, что он мог пользоваться ими, чтобы воспринимать звуки, распространяющиеся в грунте. Будучи засадным хищником, поджидающим жертву в воде, он мог слышать шаги возможной добычи, приближавшейся к водопою. Вполне возможно, также поступал и амбулоцетус, в челюсти которого уже имелось начало характерного для китов канала, проводящего звук к уху. Положив нижнюю челюсть на грунт – как это делают крокодилы – амбулоцетус «лоцировал» передвижение по берегу своих потенциальных жертв.

Даже разобравшись в языке дельфинов, пообщаться с ними напрямую человеку не удастся – органов подходящих нет. Разве только с помощью компьютерного синтезатора. Для сравнения:
- Человек может различать изменения звука во времени, если они следуют с темпом не выше 50-70 в секунду. Дельфинам доступен темп до 2000 в секунду.
- Дельфины улавливают в десять раз более широкий диапазон звуков, чем люди. Человек воспринимает частоты колебаний до 15-20 тысяч в секунду, дельфин – до 150-200 тысяч в секунду.
- Дельфин способен услышать звук в десятки раз более слабый, чем тот, который доступен человеческому уху.
- Возможность проанализировать звук, отделить одни частоты от других у дельфина в 4 раза выше, чем у человека. Все это предоставляет в распоряжение «братьев по разуму» звуковую палитру, несопоставимую с тем, что имеем мы. 

 Луо (Zhe-Xi Luo) – палеонтолог, сотрудник Музея естественной истории в Питтсбурге, показал, что у базилозавров и дорудонтов – первых полностью водных китов – слуховая система по строению была уже достаточно близка к слуховой системе современных китов. Позже эволюция двух групп – зубатых и усатых китов – пошла разными путями. Первые развили особенности, необходимые для произведения и восприятия высокочастотных звуков, используемых при эхолокации, а вторые «специализировались» на низкочастотных акустических сигналах, позволявших общаться друг с другом на больших расстояниях. Около 28 млн лет назад ранние зубатые киты уже имели некоторые из костных структур, необходимых для восприятия высокочастотных звуков и, соответственно, определенную способность к эхолокации.

  Другие важные изменения черепа в процессе эволюции китообразных включали перемещение глазниц с верхнего (как у крокодилов) положения у пакицетуса и амбулоцетуса на бока головы, как у протоцетид и современных китов. Ноздри сместились с вершины морды у пакицетуса на вершину головы (дыхало) у современных китов. Зубы стали простыми и однообразными – приспособленными только для удержания, а не разжевывания добычи. У усатых же китов они исчезли совсем; их «китовый ус» – роговые пластины, с зубами никак не связаны.

Большинство позвоночных, подобно людям, способны ощущать все базовые вкусы: кислый, сладкий, соленый, горький и вкус умами. Однако, как показало исследование, киты и дельфины представляют собой исключение. Они утратили способность различать все вкусы, кроме соленого.

Ученые из Китая и Великобритании проанализировали геномы 15 различных видов китообразных, в том числе усатых китов, кашалотов и афалин. Большинство генов, ответственных за вкусовые ощущения, подверглись мутациям и уже неспособны кодировать необходимые белки. Только гены, связанные с восприятием соленого вкуса, остаются функциональными.

Эти мутации, скорее всего, произошли около 53 миллионов лет назад, после того, как общие предки китообразных стали жить в воде, но раньше, чем разделение китообразных на усатых и зубатых китов (36 млн. лет назад). Самой большое неожиданностью стала потеря горького вкуса, способность ощущать горечь важна для животных, так как природные токсины обычно имеют этот вкус.

Вероятно, потеря вкусовых ощущений связана с тем, что китообразные не жуют пищу, а глотают ее целиком. При таком способе питания способность различать вкусы становится ненужной.

  Анализ изотопного состава атомов кислорода, присутствующих в зубах ископаемых китов, позволяет делать заключения о том, жили ли они в пресной или морской воде – во второй присутствует большая доля изотопа 18О. Получилось, что организм пакицетусов получал только пресную воду, амбулоцетусы могли жить как в пресных, так и в соленых водоемах, а протоцетиды были уже настоящими морскими животными.

  Одна из наиболее важных адаптаций, характерных для китов, – их способность производить вертикальные удары хвостом, обеспечивающие быстрое плавание. Строение тазового пояса амбулоцетуса еще позволяло животному поддерживать свой вес при передвижении по суше, хотя непропорционально большие задние конечности этого животного и веслообразные ступни делали такое передвижение затруднительным. Но такие конечности очень неплохо подходили для гребли при передвижении в воде.

У родоцетуса, представителя протоцетид, кости нижнего отдела передней конечности были сжаты и уже напоминали ласты, а длинные нежные ступни, возможно были перепончатыми. Связки между позвонками, формирующими крестец, у родоцетуса были ослаблены, что позволяло позвоночнику изгибаться так, чтобы создавать волнообразные вертикальные движения хвоста. По мнению Джинджериша, он плавал «по-собачьи» на поверхности, а под водой передвигался за счет совмещения толчков веслообразных задних ног и хвоста. Скорее всего, этот зверь еще не полностью порвал с наземной средой и периодически выходил на сушу, где передвигался толчками, – наподобие современных ушастых тюленей. 

  Базилозавры и дорудонтиды были, как уже сказано, полностью водными созданиями. Как у современных китов, плечо у них оставалось подвижным, а локоть и запястье образовывали передний плавник. Задние ноги и тазовые кости были маленькими и слабыми. Однако вопрос о том, когда именно киты окончательно потеряли задние конечности, остается открытым. Например, у настоящего усатого кита, чьи остатки были совсем недавно обнаружены в слоях возрастом 27 млн лет, еще имелись неплохо сформированные ноги.

Интересно то, что в ноябре 2006 года, близ берегов Японии был пойман живым дельфин афалина с недоразвитыми, но хорошо заметными снаружи задними конечностями. Его фото обошло, наверное, все ленты новостей. Этот атавизм лучше всего свидетельствует о том, что предки китов жили на суше. 

  В хвостовом отделе дорудона имелся позвонок округлой формы, подобный тому, который имеется у современных китов в основании хвостового плавника. Так что, возможно, дорудоны и базилозавры уже имели вполне китовый хвостовой плавник.

  Итак, серия палеонтологических открытий 70–90-х гг. XX в. позволила проследить основные этапы эволюционного становления китов на их пути от наземных к исключительно водным животным. Однако вопрос об их более далеких предках продолжал – да и продолжает – оставаться открытым. Сравнение состава различных участков ДНК современных млекопитающих – представителей разных отрядов – позволил исследователям вновь говорить о высокой степени родства китов и парнокопытных. В то время как мезонихиды с их неясным систематическим положением оказывались вроде бы и ни при чем… Другие анализы показали большое сходство китов с отдельной и весьма специфической, надо сказать, группой парнокопытных – бегемотами. 

  Палеонтологи сначала весьма отрицательно отнеслись к подобной интерпретации результатов анализа ДНК – в конце концов, речь шла о сравнении ныне живущих животных, ДНК пакицетуса и амбулоцетуса, само собой, не сохранилась. Мезонихиды же очень подходили на роль предков китов – они отличались «подходящими» морфологическими признаками, и их остатки встречались именно в тех регионах и в тех слоях, где и когда должно было начаться становление китообразных. А вот остатков древних парнокопытных, подтверждавших бы предположения молекулярных биологов, не было.

Скелеты современных китов и их предков 

  Ключом к решению проблемы могла бы стать находка принадлежавшей кому-то из древних (еще выходивших на сушу) предков китов так называемой таранной кости, соединяющей кости колена с костями лодыжки. У всех парнокопытных таранная кость имеет очень характерную форму с выемкой-шкивом на обоих концах. Собственно, это и есть один из ключевых признаков отряда. 

Таранная кость представителя мезонихид (1), современного парнокопытного (2) и вновь открытого представителя протоцетид – Rodhocetus astralagus (3). Стрелкой показано положение таранной кости на конечности родоцетуса 

  Осенью 2001 г. Джинджериш сообщил об открытии в восточной части Белуджистана еще одного вида родоцетуса – Rodhocetus astralagus – и новой формы протоцетид – артиоцетуса (Artiocetus). А Тьюиссен и его коллеги в то же время откопали в Пенджабе скелет пакицетуса (ранее был известен только череп) и скелет еще одного зверя, близкого к пакицетусу (Ichtyolests). И все вновь найденные скелеты имели таранную кость характерной для парнокопытных формы. Получалось, что мезонихиды, у которых эта кость была другой формы, действительно не имели отношения к возникновению китов? Их остатки просто оказались «в нужное время и в нужном месте»? Но какие же парнокопытные дали тогда начало китообразным? Бегемоты, как самостоятельная группа, возникли значительно позже. Среди же их предков, как и предков других парнокопытных, ни один из известных ископаемых видов не подходит на роль прародителя китов лучше, чем мезонихиды.

  Впрочем, надо заметить, что и само происхождение парнокопытных остается неясным. Может быть, мезонихиды – самостоятельная ветвь этого отряда (а не отряда кондиляртр), утратившая по каким-то причинам характерную форму таранной кости? Тогда они вполне могут иметь общих предков с китообразными. Сейчас существует и такая гипотеза. Споры продолжаются, и большинство ученых сходятся на мысли, что загадка самых первых предков китов еще неразгадана. Необходимы новые палеонтологические находки.