Млечный путь: как возникли и развивались млекопитающие

Из того немногого, что рассказывают в школе об истории жизни на Земле, большинство выносит представление, что мезозой — это эра рептилий, а кайнозой — эра млекопитающих. На самом деле это не совсем так. Но чтобы разобраться в вопросе, придется заглянуть еще дальше в глубь времен — в каменноугольный период (359–299 млн лет назад) палеозойской эры.

Начало соперничества

Первыми позвоночными на суше были амфибии. Они все еще были тесно связаны с водой: их тонкая кожа требовала постоянного увлажнения (поскольку служила дополнительным органом дыхания, причем не менее важным, чем легкие), да и оплодотворение и дальнейшее развитие их икры было возможно только в воде.

К середине каменноугольного периода некоторым амфибиям удалось решить эти проблемы. Нежную икринку с ее тонкой проницаемой мембраной заменило яйцо — сложный орган с прочной кожистой оболочкой, позволяющий зародышу развиваться на суше, оставаясь в жидкой среде.

Воздух в легкие стал не «заглатываться», а нагнетаться движениями грудной клетки. Это позволило отказаться от кожного дыхания и сделать кожу многослойной и сухой. Изменилась и работа почек: от постоянного выведения лишней воды они перешли к ее экономии. Так из амфибий получились новые существа — амниоты.

Амниоты быстро разделились на две ветви: завропсид и синапсид. У завропсид все упомянутые приспособления были доведены до совершенства. Кожа стала очень сухой, обычно покрытой роговой чешуей или щитками. Обмен веществ был перестроен, чтобы не тратить воду на выведение токсичной мочевины: вместо нее образовывалась менее вредная мочевая кислота. К завропсидам относятся все настоящие рептилии (включая появившихся в мезозое динозавров) и птицы.

Синапсиды же эволюционировали по принципу «и так сойдет». Кожа стала многослойной, но осталась мягкой и сохранила многочисленные железы. Почки по-прежнему выводили мочевину, так что синапсидам приходилось часто пить. Но «так» действительно «сошло»: принятых мер оказалось достаточно, чтобы успешно обитать на суше. Млекопитающие, появившиеся практически одновременно с динозаврами, — это именно синапсиды.

Постепенное озверение

Сто с лишним миллионов лет после разделения завропсиды и синапсиды сосуществовали, порождая все более разнообразные и совершенные формы. В пермском периоде (299–252 млн лет назад) среди синапсид появились териодонты («зверозубые ящеры»). Их зубы были уже не простыми и более-менее одинаковыми по форме, а разделились на привычные нам типы: резцы, клыки и коренные.

Этот процесс не прервало даже великое вымирание, отмечающее конец палеозойской эры и начало мезозоя. Оно случилось 252 млн лет назад и стало самым массовым со времен появления многоклеточных. Териодонты выжили и продолжали эволюционировать, все более походя на млекопитающих.

Первым периодом новой мезозойской эры стал триасовый (252–201 млн лет назад). Ближе к его концу среди цинодонтов (одной из групп териодонтов) появились формы, собравшие вместе все черты будущих млекопитающих. И у них, вероятно, уже был и самый характерный признак, по которому эта группа и получила свое название: выкармливание детенышей молоком.

Молоко на губах

Синапсиды унаследовали от амфибий многочисленные кожные железы. Кормление потомства кожными выделениями встречается у некоторых современных амфибий.

Например, у червяг — безногих амфибий, живущих в почве и внешне похожих на крупных дождевых червей. Отложив яйца, червяга обвивает их телом и увлажняет кожной слизью. Когда детеныши вылупляются, они некоторое время питаются кожными выделениями матери.

Трудно предположить, что млекопитающие унаследовали такой способ вскармливания от далеких амфибийных предков. Скорее, кожные железы постепенно эволюционировали в молочные.

Сначала предки млекопитающих увлажняли кожными выделениями кладку яиц (твердая скорлупа яиц у синапсид так и не появилась). Затем те же выделения обеспечивали водой уже вылупившихся детенышей. Чем больше в выделениях было белков, жиров и других питательных веществ, тем лучше выживало потомство.

Вероятно, у ранних млекопитающих еще не было сосков, а молоко выделялось прямо из кожи. Так обстоит дело у самых архаичных современных млекопитающих — утконосов и ехидн. Молоко выделяется из железистых полей на животе самки, детеныши его не сосут, а слизывают. Позднее выделяющая молоко ткань собралась в крупные железы, увенчанные сосками. Но судить об этом можно только предположительно: мягкие ткани почти не оставляют следов в окаменелостях.

Согласно наиболее популярной гипотезе, ближайшие «родственники» молочных желез — потовые железы. Скорее всего, молочные и потовые железы не происходят друг от друга, а растут из одного корня — многочисленных кожных желез древних синапсид.

Ближе к концу триасового периода некоторые цинодонты в своей эволюции перешли условную грань между «еще териодонтами» и «уже млекопитающими». Сформировавшийся новый класс позвоночных готов был выйти на широкую дорогу эволюции. Но в этот момент давние соперники синапсид — завропсиды — выложили собственный козырь. На планете появились архозавры, то есть динозавры и их близкие родственники.

Время ящеров

Какие черты архозавров обеспечили им столь очевидный триумф — разговор отдельный. Здесь скажем только, что ранние динозавры не были гигантами. По оценкам палеонтологов, наиболее древние представители этой группы весили от 10 до 200 кг. Архозавры в считанные миллионы лет вытеснили из крупного размерного класса не только всех синапсид, но и всех не-архозавровых завропсид. Вскоре все синапсиды, кроме млекопитающих, исчезли.

Млекопитающие же почти до самого вымирания динозавров оставались мелкими — менее килограмма. Только в последнем периоде мезозойской эры — меловом (145–66 млн лет назад) — возникли звери покрупнее, весом 5–14 кг. По-настоящему крупные млекопитающие появятся много позже полного исчезновения динозавров, уже в кайнозойской эре.

Не надо, однако, думать, что млекопитающие влачили жалкое существование под пятой рептилий. Видов мезозойских млекопитающих известно больше, чем видов динозавров. И это несмотря на то, что останки мелких животных гораздо хуже сохраняются в ископаемом состоянии.

Так что можно уверенно утверждать, что млекопитающие были намного разнообразнее динозавров. Так и должно быть: при прочих равных условиях видовое разнообразие мелких животных всегда выше, чем крупных.

Правда, об этом разнообразии мы знаем маловато. От подавляющего большинства мезозойских млекопитающих сохранились только самые твердые органы — зубы. По ним можно описать новый вид, но не так-то просто реконструировать облик животного.

Но сейчас появляются методы, позволяющие судить даже о физиологии ископаемых животных. Например, в прошлом году ученые пришли к выводу, что теплокровность у млекопитающих возникла около 233 млн лет назад, причем, по меркам эволюции, очень быстро. Это время довольно точно совпадает со временем появления ранних динозавров.

При той же массе теплокровное существо тратит в несколько раз больше энергии, чем холоднокровное. Нужны веские причины, чтобы столь дорогое приобретение оказалось выгодным. Напрашивается объяснение: после триумфа рептилий млекопитающим пришлось осваивать ночной и роющий образ жизни.

Гигантские ящеры в теплом и ровном мезозойском климате всегда оставались теплыми просто по инерции, не успевая за ночь остыть. А вот мелкие существа по ночам неизбежно должны были остывать и впадать в оцепенение. И единственный способ избежать этого — теплокровность. Звучит правдоподобно, но так ли все было на самом деле? Пока что у ученых нет средств это выяснить.

Дремлющее разнообразие

Ископаемые — не единственный способ заглянуть в прошлое. Сравнение ДНК разных существ позволяет рассчитать время, когда жил их последний общий предок.

По этим данным выходит, что млекопитающие активно эволюционировали в течение всего мезозоя. Еще до конца триасового периода, около 220 млн лет назад, от основного ствола млекопитающих отделились яйцекладущие — предки утконосов и ехидн. Еще через полсотни миллионов лет разделились предки сумчатых и плацентарных.

Это позволяет предположить, что где-то в этом промежутке было «изобретено» живорождение. А к концу мелового периода уже все основные отряды современных млекопитающих отделились друг от друга и в дальнейшем эволюционировали независимо.

Это, однако, не означает, что ко времени окончательного вымирания динозавров по земле уже ходили слоны и скакали кони, по веткам прыгали обезьяны, в морях резвились дельфины, а в небе порхали летучие мыши.

До самого конца мезозоя млекопитающие оставались в основном мелкими. Экологические ниши крупных существ занимали рептилии: на суше динозавры, в море ихтиозавры, а в воздухе птерозавры.

Более того, все эти звери были довольно похожи по строению, облику и образу жизни. Практически все млекопитающие, жившие до последней трети мелового периода, — всеядно-насекомоядные. Среди них нет ни специалистов-хищников, ни настоящих растительноядных.

Дело в том, что до широкого распространения цветковых (в середине мелового периода) мелким растительноядным было бы просто нечем питаться. На Земле в те поры еще не было никакой травы, то есть низкорослой наземной растительности без жестких стволов.

Основная зеленая масса была сосредоточена в кронах деревьев. Правда, среди тогдашних млекопитающих были и древесные формы, которые могли добраться до листвы. Однако зеленую массу требуется не только съесть, но еще и как-то переварить. Даже при наличии бактерий-симбионтов, способных расщеплять клетчатку, переваривание такой пищи требует длинного кишечника. Такого, который просто не поместится в маленьком теле.

Сегодня на Земле господствуют цветковые растения. Их зеленые части куда нежнее, чем у мезозойских споровых и голосеменных. И все же самые мелкие настоящие травоядные среди млекопитающих — это зайцы и кролики. Для существ помельче зеленые части растений служат в лучшем случае добавкой к более питательному корму — в основном плодам и семенам. Но до «революции цветковых» плодов не было вовсе, да и семена не отличались размером и питательностью.

Иными словами, существам вроде грызунов грызть было бы нечего. А это, в свою очередь, исключало появление специализированных хищников: на кого им было охотиться? Насекомоядных было слишком мало, чтобы прокормиться (недаром основная добыча современных мелких хищников — грызуны, а не кроты и землеройки).

А динозавры даже на стадии яиц и молоди были тогдашним млекопитающим буквально не по зубам. Очень интересен вопрос: что заставило мезозойских млекопитающих, ведущих практически одинаковый образ жизни, разделиться на отряды? Если среда предъявляла к ним одни и те же требования, откуда глубокие различия в ДНК? Убедительного ответа пока нет. Вероятно, чтобы его найти, потребуются новые методы исследования, а возможно, и новый взгляд на законы эволюции.

Вышедшие из сумрака

Так или иначе, исследование ДНК показало, кто кому роднее в дружной семье млекопитающих. И немалое число этих связей оказалось неожиданностью для зоологов. Давно было известно, что ближайшая родня слонов — мелкие зверьки даманы (которых любой человек без зоологического образования примет за сурков) и сирены: ламантины, дюгони и стеллерова морская корова.

Но оказалось, что к той же ветви принадлежат трубкозуб (которого раньше объединяли с муравьедами и броненосцами) и африканские насекомоядные: златокроты, тенреки, выдровые землеройки и прыгунчики.

Такого не ожидал никто: сходство между африканскими и евразийскими насекомоядными настолько глубоко и комплексно, что никому в голову не приходило, что они могут быть не родственными. На фоне этого даже происхождение китов и дельфинов от парнокопытных выглядит не таким уж удивительным: о нем некоторые зоологи и палеонтологи догадывались и раньше.

Плацентарные млекопитающие, согласно анализу ДНК, делятся на четыре большие группы. Первыми от общего ствола отделились ксенартры — броненосцы, ленивцы и муравьеды. Вскоре после этого в отдельную группу выделились афротерии — уже знакомая нам «слоновья родня». Еще через некоторое время отделилась группа со сложным названием эуархонтоглиры.

Эту группу сегодня представляют грызуны, зайцеобразные, приматы (включая и нас с вами), а также родственники последних — тупайи и шерстокрылы. Все остальные плацентарные млекопитающие объединены в группу лавразиатериев. Это насекомоядные, рукокрылые, хищные, парно- и непарнокопытные, китообразные (которых теперь просто включают в один отряд с парнокопытными) и т. д.

Конечно, эволюция млекопитающих шла и дальше, причем порой довольно причудливо. Достаточно сказать хотя бы, что ближайшая родня непарнокопытных — хищные. А вот родство тех и других с парнокопытными чуть более отдаленное. Так что, скажем, для лошади собака или кошка — родня более близкая, чем корова.

_{Фото: ART BY JAIME CHIRINOS; ADRIENNE STROUP / FIELD MUSEUM; SHUTTERSTOCK / FOTODOM (х3); NTVTIKO; MARCIO L. CASTRO; DAVID VRAJU; DAVID WATTS; CHRIS PROHM; SMOKEYBJB; JORGE A GONZALEZ / KECK SCHOOL OF MEDICINE OF USC; GERHARD BOEGGEMANN; JULIO LACERDA; FREEPIK}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 5, июнь 2023}