Нові дослідження показали, що еволюція дзьобів птахів і динозаврів підкоряється універсальному математичному правилу, яке допомагає зрозуміти, як ці дивовижні структури розвивалися протягом мільйонів років.

Дзьоби птахів приходять у безліч форм і розмірів: від трубчастих дзьобів колібрі до ножоподібних дзьобів орлів. Але, на диво, дослідники виявили, що ця неймовірна різноманітність підкоряється прихованому математичному правилу, яке визначає ріст і форму дзьобів у майже всіх живих птахів.

Це правило, яке ми називаємо «правилом каскаду потужності», також пояснює форму дзьобів в динозаврів — їхніх далеких предків. Наше відкриття, опубліковане в журналі iScience, дає можливість досліджувати еволюцію облич птахів і динозаврів на протязі більш ніж 200 мільйонів років.

Як правило допомагає пояснити еволюцію

Знайти універсальні правила в біології — рідкість. Однак, коли такі правила виявляються, вони можуть допомогти зрозуміти складні природні явища. Наша команда раніше відкрила нове правило біології, яке пояснює форму і ріст багатьох загострених структур, таких як зуби, роги, копита, черепашки та, звісно, дзьоби.

Правило каскаду потужності описує, як ширина загострених структур, як-от дзьоб, розширюється від кінчика до основи. Завдяки цьому відкриттю, ми зацікавилися в тому, як це правило може пояснити еволюцію дзьобів птахів і динозаврів.

Динозаври отримали дзьоби кілька разів

Більшість динозаврів, таких як Tyrannosaurus rex, мали міцний носовий відділ і зуби. Проте деякі динозаври, наприклад, орнітомімус, не мали зубів і замість них мали дзьоби. Виявляється, що у тероподів (група динозаврів, до якої належить T. rex) дзьоби еволюціонували щонайменше шість разів. Кожен раз зуби зникали, а носова частина поступово трансформувалася в дзьоб за мільйони років.

Але лише одна з цих груп динозаврів пережила масове вимирання 66 мільйонів років тому — і саме ці динозаври стали предками сучасних птахів.

Дослідження еволюції дзьобів тероподів

Ми дослідили 127 видів тероподів і виявили, що 95% їхніх дзьобів і морд підкоряються правилу каскаду потужності. Завдяки передовим методам еволюційного аналізу через комп’ютерне моделювання, ми змогли довести, що предок тероподів, ймовірно, мав зуби і носову частину, що підкорялися цьому правилу.

Це відкриття дає нам можливість припустити, що правило каскаду потужності може описувати ріст не тільки дзьобів і морд тероподів, але й інших хребетних тварин — ссавців, рептилій та риб.

Порушники правила

Вивчивши еволюцію птахів після масового вимирання динозаврів, ми побачили неймовірні зміни. Птахи згодом поширилися по всьому світу, і їхні дзьоби адаптувалися до різних умов існування.

Ми побачили дзьоби, призначені для споживання фруктів, ловлі комах, різання та розривання м’яса, а також для пиття нектару. Більшість з них підкоряються правилу каскаду потужності.

Незважаючи на це, ми виявили деякі рідкісні «порушення правила». Наприклад, у євразійської ложкарки форма її дзьоба не підкоряється цьому правилу, що може бути зумовлено її унікальним способом живлення. Ложкарка використовує свій дзьоб для фільтрування мулу і виловлювання водних істот, що пояснює порушення математичного закону.

Висновки та подальші дослідження

Ми не засмучені порушенням правила, адже це лише підкреслює, наскільки корисним є правило каскаду потужності. Більшість дзьобів птахів розвиваються саме за цим законом, і ці дзьоби ідеально підходять для більшості способів живлення. Проте рідкісні «вибрики» типу ложкарки дають змогу зрозуміти, як еволюція може відхилятися від стандартних схем.

Наступним кроком нашого дослідження стане вивчення того, як дзьоби птахів ростуть від пташенят до дорослих птахів. Якщо правило каскаду потужності дійсно є фундаментальним для розвитку дзьобів, ми, ймовірно, виявимо його і в інших формах життя по всьому дереву еволюції.