Новость №1084: Оказывается, китообразные — это потомки парнокопытных
Материал о том, как сухопутные звери становились современными китообразными:
Материал о том, как сухопутные звери становились современными китообразными:
Самцы горбатых китов поют одну и ту же песню, постепенно усложняя ее и перенимая нововведения друг у друга — это так называемая культурная эволюция. В популяции горбачей, обитающих в водах восточной Австралии, раз в несколько лет происходят «культурные революции»: песня резко и практически синхронно у всех самцов меняется на другую песню, заимствованную у соседней западноавстралийской популяции. Проанализировав изменение уровня сложности песен, ученые выяснили, что в те периоды, когда модификация песни происходила путем небольших изменений, сложность структуры песен постепенно возрастала. А если песня резко сменялась на новую в процессе «культурной революции», структура новой песни всегда оказывалась проще, чем у старой. Вероятнее всего такое упрощение связано с тем, что при резкой смене песни китам приходится выучивать сразу много последовательностей звуков, а количество нового материала, которое животное способно усвоить за единицу времени, ограничено.
Рис. 1. Горбатый кит выпрыгивает из воды в акватории острова Беринга. На зиму этот кит и его сородичи мигрируют в теплые тропические воды, где самки рожают детенышей, а самцы поют свои песни. Фото © Ольга Филатова, 2011 год
Знаменитые песни китов — это длинные сложно организованные последовательности звуков. Они имеют иерархическую структуру: различные звуки складываются в более-менее стереотипные «фразы», которые многократно повторяются, формируя «темы». Песня может включать от четырех до семи различных тем, исполняемых в определенном порядке.
Самцы горбачей (Megaptera novaeangliae) — самые искусные певцы среди китов. Они поют в теплых тропических водах, куда приходят для зимовки и размножения (R. S. Payne, S. McVay, 1971. Songs of humpback whales). Все самцы одной популяции поют очень похожую песню, но со временем она постепенно меняется (K. Payne, R. Payne, 1985. Large scale changes over 19 years in songs of humpback whales in Bermuda). Изменения эти происходят у всех животных одновременно — по-видимому, киты синхронизируют вариации своей песни, копируя нововведения друг у друга. Так проявляется довольно редкая среди млекопитающих (но широко распространенная у птиц) способность к вокальному обучению. У большинства млекопитающих вокальный репертуар передается генетически, но некоторые — включая многие виды китообразных, а также человека — способны выучивать новые звуки от сородичей (V. M. Janik, P. J. Slater, 1997. Vocal learning in mammals). Сложные паттерны поведения (в том числе вокального поведения), передаваемые путем социального обучения, называют культурными традициями (K. N. Laland, V. M. Janik, 2006. The animal cultures debate). Получается, что песни китов — это их культурные традиции, которые постепенно эволюционируют.
Зачем это нужно, не очень понятно. Похожие изменения претерпевают песни некоторых видов певчих птиц, которые, так же как и песни горбачей, передаются от одного самца к другому путем социального обучения. Одна из гипотез, предложенных для объяснения этого феномена — половой отбор. Для некоторых видов птиц было показано, что самки предпочитают самцов с более сложной структурой песни (J. L. Woodgate et al., 2012. Male song structure predicts reproductive success in a wild zebra finch population). Возможно, это связано с тем, что сложность песни является косвенным показателем физического здоровья самца или его уровня когнитивного развития (C. Catchpole, 1996. Song and female choice: good genes and big brains?).
Песни горбатых китов, обитающих в водах восточной Австралии. Больше китовых песен можно услышать на сайте soundcloud.com
Впрочем, с горбачами все несколько сложнее — прежде всего потому, что до сих пор не доказано, что песня самцов служит для привлечения самки. Самцы обычно поют в одиночестве, а если к ним и присоединяются другие особи, то они также оказываются самцами (J. D. Darling et al., 2006. Humpback whale songs: Do they organize males during the breeding season?). Иногда самцы поют, преследуя самку, но чаще они делают это молча либо издают слабо структурированные социальные звуки. Нет у китов и территории, для обозначения которой (по аналогии с птицами) могла бы быть предназначена песня — все горбачи свободно перемещаются по акватории и никогда не пытаются защитить какой-то ее район от сородичей.
Тем не менее, самцы горбачей упорно поют свои песни и тщательно копируют нововведения из песен окружающих. В большинстве популяций это приводит к медленным постепенным модификациям песни из года в год — такой процесс изменения культурных традиций называется культурной эволюцией. Однако в популяции горбачей, обитающей в водах восточной Австралии, раз в несколько лет происходят «культурные революции», во время которых одна песня резко и практически синхронно у всех самцов меняется на другую песню, заимствованную из соседней западноавстралийской популяции (M. J. Noad et al., 2000. Cultural revolution in whale songs).
Как это происходит, точно неизвестно. Возможно, отдельные западноавстралийские самцы время от времени приходят на зимовку в восточную Австралию, или животные разных популяций обучают друг друга во время миграций. Маловероятно, что это происходит в районах летнего нагула, где смешиваются киты обоих популяций, так как летом киты практически не поют. Из акватории восточной Австралии песня затем распространяется дальше на восток, захватывая популяции южной части Тихого океана — такой пространственный масштаб передачи культурных традиций раньше был описан только для человека (E. C. Garland et al., 2011. Dynamic horizontal cultural transmission of humpback whale song at the ocean basin scale).
Как же так получается, что горбачи справляются с этой непростой задачей — быстро выучить совершенно новую, незнакомую песню? Ведь обычно они меняют свои песни понемногу, постепенно внося изменения в уже выученные и закрепившиеся последовательности звуков. Австралийские исследователи задались целью детально изучить процесс смены старой песни на новую, чтобы понять, как именно киты усваивают и вводят в свой репертуар сложные вокальные паттерны. Главный вопрос, на который они искали ответ — меняется ли (и если да, то как именно) уровень сложности организации песен в процессе их освоения новичками?
Ученые проанализировали записи песен, сделанные в водах восточной Австралии на протяжении 13 лет — с 2002 по 2014 годы. Записанные песни для анализа визуализировали в виде сонограммы и затем переводили их в цифровые последовательности с помощью созданного ранее «словаря», в котором каждому типу звука соответствует определенный номер. Для оценки того, являлась ли песня каждого года «эволюцией» или «революцией» по сравнению с предыдущим годом, использовался коэффициент сходства, основанный на расстоянии Левенштейна. Значение расстояния Левенштейна отражает минимальное количество операций вставки или удаления одного элемента и замены одного элемента на другой, необходимых для превращения одной последовательности в другую. Если коэффициент сходства был больше нуля, то новая песня считалась эволюционным развитием предыдущей, если же сходство было нулевым — песня считалась абсолютно новой, появившейся в результате «революции».
Для расчета сложности на уровне песни использовались такие параметры, как число звуков и типов звуков в песне, длительность песни, а для расчета сложности на уровне темы — число тем и средняя длительность фразы. Все эти переменные методом анализа главных компонент переводились в единый показатель, отражавший общую сложность песни. Также авторы провели сравнение вариабельности песен между отдельными особями, оценив долю уникальных фраз, встречавшихся только у одного кита.
Проанализировав изменение уровня сложности песен, ученые выяснили, что в те периоды, когда модификация песни происходила путем небольших изменений, сложность структуры песен постепенно возрастала (рис. 2). Напротив, когда песня резко сменялась на новую в процессе «культурной революции», структура новой песни всегда оказывалась проще, чем у старой. Эти закономерности проявлялись для меры сложности, рассчитанной как на уровне тем, так и на уровне целых песен.
Рис. 2. Вариации сложности китовой песни в периоды постепенных изменений (светлые отрезки) и революций (темные отрезки). По вертикальной оси отложены меры сложности: квадратами обозначена общая сложность, треугольниками — сложность на уровне песни, а кругами — сложность на уровне темы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences
В периоды постепенного изменения одни и те же темы использовались китами из года в год, но их сложность постепенно увеличивалась (рис. 3): большинство тем со временем становилось длиннее и включало в свой состав больше звуков и типов звуков. Таким образом, сложность увеличивалась не только в среднем по всей песне, но и в отдельно взятых темах.
Рис. 3. Вариации сложности в разных темах в периоды постепенного изменения песни. Каждый светло-серый прямоугольник соответствует одной теме, а черными ромбами показан уровень сложности этой темы в разные годы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences
Интересно, что уровень индивидуальности (то есть число уникальных фраз) в некоторой степени коррелировал со сложностью песни. В наибольшей степени эта связь была выражена в периоды постепенных изменений, когда возрастала и сложность, и индивидуальность. В то же время в периоды «революций» индивидуальность, в отличие от сложности, снижалась далеко не всегда.
Считается, что прогрессивные изменения возникают в результате взаимного копирования новшеств, которые отдельные киты понемногу привносят в свои песни (M. J. Noad et al., 2000. Cultural revolution in whale songs). Возможно также, что киты как бы «приукрашивают» свои песни для того, чтобы выделяться среди массы одинаковых певцов. Корреляция между сложностью и индивидуальностью согласуется с этой гипотезой: по мере того как песни становятся более сложными, они также становятся более индивидуально различными.
Таким образом, в результате проведенного исследования ученые выяснили, что песни, распространившиеся в популяции после «культурных революций», имеют более простую структуру, чем у песен до «революции». Вероятнее всего, это связано с тем, что при резкой смене песни китам приходится выучивать сразу много последовательностей звуков, а количество нового материала, которое животное способно усвоить за единицу времени, ограничено (C. I. Petkov, E. Jarvis, 2012. Birds, primates, and spoken language origins: behavioral phenotypes and neurobiological substrates).
Исследования сложных вокализаций, передающихся путем обучения (как у горбатых китов, так и у других китообразных, а также у певчих птиц) представляют большой интерес в числе прочего потому, что они могут служить моделью для изучения некоторых аспектов человеческого языка. Наши ближайшие родственники — шимпанзе и другие человекообразные обезьяны — имеют сравнительно бедный вокальный репертуар, который наследуется в основном генетически (V. M. Janik, P. J. Slater, 2000. The different roles of social learning in vocal communication). Никаких сложных вокальных последовательностей, подобных нашей речи, у человекообразных обезьян нет. Китообразные — одни из немногих представителей млекопитающих, для которых характерна передача акустических паттернов путем социального обучения (V. M. Janik, P. J. Slater, 1997. Vocal learning in mammals ). Исследуя эти паттерны, можно проводить интересные параллели с языком человека. Например, сложность человеческих языков снижается, когда они становятся более распространенными — по-видимому из-за того, что большому количеству людей приходится выучивать такие языки во взрослом возрасте (J. McWhorter, 2011. The power of Babel: A natural history of language).
Источник: Jenny A. Allen, Ellen C. Garland, Rebecca A. Dunlop and Michael J. Noad. Cultural revolutions reduce complexity in the songs of humpback whales // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 2018. V. 285. DOI: 10.1098/rspb.2018.2088.
Ольга Филатова
http://elementy.ru/novosti_nauki/433418/Kulturnye_evolyutsii...
Усатые киты — самые большие существа на Земле. Они питаются, фильтруя тонны воды через свой китовый ус из кератина, чтобы полакомиться планктоном и крилем. Но древние предки китов обладали зубами, как и современные косатки или кашалоты. Ученые долго пытались разобраться, как эволюционировала система питания усатых китов. Новые исследования, опубликованные в Science, показали, что сначала киты утратили зубы, а потом развили китовый ус. А в промежуточный период просто всасывали в себя пищу.
Надо отметить, что есть и другие недавние исследования, которые отстаивают иную точку зрения. Исследователи предполагают, что переход от зубов к усу был плавным и постепенным. Такой вывод был сделан после изучения черепа кита коронодона, который обладал зубами, похожими на забор-штакетник, через которые он и фильтровал воду в поисках пищи. Согласно другой гипотезе, киты какое-то время одновременно фильтровали воду через зубы и китовый ус. Но анализ черепа древнего кита, который еще даже не успел получить научного названия, противоречит обеим теориям.
Палеобиолог Карлос Передо из университета Джорджа Мейсона в Вирджинии и его соисследователь Марк Ухен изучили окаменелый череп кита, который нашли в штате Орегон еще в 1970 годы. Выводы поразили ученых — киты сначала утратили зубы, а китовый ус развился гораздо позже.
Изучив череп, они не обнаружили ни зубов, ни структуры, которая нужна для поддержки китового уса. А когда Карлос Передо внимательно изучил череп, то понял, что его устройство идеально подходит для всасывания пищи.
«Я подумал, что это какой-то абсурд!», — вспоминает Карлос о своем открытии. Форма черепа убедила ученых в своем выводе. Древний кит обладал мощными лицевыми мышцами, которые были необходимы для всасывания рыбы, а его время жизни находилось ровно в промежуток между зубатыми и усатыми китами.
Эволюционный палеонтолог Алистер Эванс из Мельбурна, который подробно изучал эволюцию китообразных, нашел новую гипотезу «весьма вероятной». В 2016 году он опубликовал исследования древнего кита, получившего имя «Альфред», для которого предполагается аналогичный способ питания, несмотря на то, что «Альфред» еще не утратил зубы.
«Орегонская находка полностью соответствует нашим предсказаниям и прекрасно заполняет пробел в эволюции китов», — рассказал Алистер Эванс.
Мы до сих пор не знаем точно, когда появился китовый ус. Но Карлос Передо полагает, что переход на такой способ питания был завершен к концу олигоцена около 23 млн лет назад.
Кстати, а вы знали, что ближайшие родичи китов — это бегемоты? Сейчас парнокопытных и китов определяют в одну большую группу — китопарнокопытных. На Paleonews.ru есть подробный материал, который повествует об эволюции китообразных от мелких наземных предков до гигантов-фильтраторов.
Есть мнение, что на гигантизм усатых китов повлияли изменения климата. Сравнив черепа нескольких десятков вымерших и современных видов, исследователи пришли к выводу, что, разделившись на несколько групп, киты поначалу росли не слишком активно, и довольно долго даже самые крупные виды не превышали 10 м длину. Только около 4,5 млн лет назад случился рывок, и усатые киты резко прибавили в размере. Что же тогда произошло? Авторы работы полагают, что все дело в тогдашнем ледниковом периоде: наступающие ледники регулярно подтаивали и уносили в океан много питательных веществ, которые служили кормом мелким ракообразным и прочим небольшим животным.
Кости древнего кита нашли на строительной площадке на свалке в Сан-Хуан-Капистрано в штате Калифорния. Сейчас останки животного переместили в лабораторию. Ученые считают, что окаменелости принадлежат вымершему виду китов, которые жили в промежуток между 7 и 4 млн лет назад, сообщает CNN.
Древние кости заметил палеонтолог из лаборатории «Палео Солюшнс». Он должен был следить за выполнением раскопок на свалке. По предварительной оценке древний кит жил в конце миоцена — начале плиоцена. В распоряжении ученых оказались череп, нижняя челюсть, ребра, кости конечностей, лопатка, плечевая кость и ключица. Очень важно, что среди сохранившихся останков оказался череп — кости уха помогут точнее определить вид животного.
Специалисты завернули окаменелости в штукатурку и мешковину, прежде чем доставить их в лабораторию, где палеонтологи смогут их очистить и опознать.
Ведущий палеонтолог лаборатории «Палео Солюшнс» Джеральдин Арон рассказал, что они верят и надеются, что кости кита принадлежат к еще не открытому виду.
В июне этого года в Новой Зеландии обнаружили останки кита, ранее неизвестного науке. Вид получил имя Toipahautea waitaki, он бороздил морские глубины около 27,5 млн лет назад. Челюсти Toipahautea waitaki были беззубыми, длинными и узкими. Предполагается, что они кормились подобно современным малым китам.
А в 2016-м году древнего кита назвали в честь одного из чудовищ, придуманных Говардом Лавкрафтом. Ископаемого кита из миоцена Дании назвали Dagonodum mojnum. 10 млн лет назад этот средних размеров кит охотился в балтийских водах, наводя ужас на мелкую рыбешку. Судя по строению черепа, добыча буквально всасывалась в его рот при разведении челюстей. А две пары крупных клыков использовались дагонодумами в основном в битвах за самок.
Кстати, исследования этого года показали, что одним из факторов гигантизма китов мог стать ледниковый период. Авторы работы полагают, что все дело в тогдашнем ледниковом периоде: наступающие ледники регулярно подтаивали и уносили в океан много питательных веществ, которые служили кормом мелким ракообразным и прочим небольшим животным. Тут очень важно, чтобы у тебя был большой рот: чем он больше, тем эффективнее ты будешь фильтровать себе еду. Иными словами, питаясь планктоном, лучше быть большим, чем маленьким.
Киты стали самыми крупными животными на Земле из-за необходимости тратить большое количество энергии на обогрев тела в холодной морской воде, заявляют биологи в статье, опубликованной в журнале PNAS.
"Многие люди считают, что переход к жизни в воде облегчил жизнь млекопитающим и позволил им достичь рекордно больших размеров, однако мы показали, что на самом деле это наложило на предков китов очень жесткие ограничения. Оказалось, что вода не помогла, а заставила китов стать большими - других опций у них просто нет", - заявил Джонатан Пейн из Стэнфордского университета (США).
Первые киты, как сегодня считают палеонтологи, появились на Земле примерно 50 миллионов лет назад, когда их предположительный предок, амбулоцетис, перешел к полуводному образу жизни. С тех пор их облик радикально изменился - их лапы превратились в плавники, они приобрели традиционный "китовый" хвост, а их масса и размеры увеличились в несколько сотен раз.
Самые крупные современные киты, как показывают свидетельства очевидцев, весят около двух сотен тонн и имеют длину примерно 30-35 метров, что делает их самыми крупными животными на Земле сегодня. В далеком прошлом у китов были достойные "конкуренты" - сухопутные ящеры из числа гигантозавров, обладавшие схожими массой и длиной, и морские хищные ящеры плиозавры, обладавшие массой в 50-60 тонн и длиной в десятки метров.
Сегодня у большинства китов нет естественных врагов, и это, как отмечают ученые, обычно приводит к постепенному увеличению массы и размеров тела животных. Рост китов, как показывают их окаменелости, остановился десятки миллионов лет назад, и сейчас ученые ожесточенно спорят о том, что заставило их остановиться.
Для ответа на этот вопрос Пейн и его коллеги проанализировали то, как эволюционировали не только киты, но и другие морские млекопитающие - тюлени, моржи, морские котики и дельфины. В общей сложности они изучили анатомию примерно четырех тысяч ныне существующих видов животных и трех тысяч их вымерших родичей.
Этот анализ указал на любопытную вещь - оказалось, что переход к жизни в воде задает необычно жесткие ограничения по массе животных. Как оказалось, все морские млекопитающие быстро "росли" на первых этапах их эволюции, а затем остановились на массе, обычно равной примерно 450-500 килограммам.
Подобная остановка, как считают авторы статьи, произошла по причине двух взаимосвязанных экологических факторов - низкой доступности пищи и того, что китам и прочим жителям морей приходится тратить большое количество энергии на обогрев тела в холодной морской воде.
Оба этих фактора, как отмечает Пейн, загоняют китов в очень узкие экологические рамки. С одной стороны, масса и размеры их тела не могут быть маленькими, так как небольшие животные "сжигают" энергию быстро и не могут постоянно добывать большие количества пищи. С другой стороны, телу приходится тратить все больше энергии на обогрев по мере увеличения его размеров, что накладывает ограничения на максимальную массу.
Есть и исключения из этого правила - усатые киты, достигающие массы в несколько сотен тонн. Как полагают ученые, они смогли обойти его благодаря тому, что они добывают пищу, фильтруя планктон из воды, а не охотясь на крупных животных. Как им удалось этого достичь, пока не понятно, и ученые планируют раскрыть эту загадку в ближайшее время.
Несмотря на то, что киты живут в воде, они не имеют жабр. В их организме для дыхания природа создала легкие. За все время существования китов их дыхательная система постоянно эволюционировала. Ноздри постепенно перемещались с конца головы вверх. У нынешних китов ноздри представлены парой дыхательных отверстий. Они делают получение кислорода более легким.
Когда кит погружается в воду, то его дыхательные пути закрываются, чтобы не допустить попадания воды. Для этой цели у него есть небольшие клапаны. У кита пищеварительная и дыхательная системы никак не связаны друг с другом. Поэтому попадание воды в легкие через рот исключено.
На поверхность океана киты всплывают, раз в 10 минут. Но если есть необходимость, они могут находиться в морских глубинах до 45 минут. Когда кит показывается на поверхности, первым делом он освобождает легкие от использованного воздуха. При этом данная процедура сопровождается сильным шумом, который можно слышать на большом расстоянии. Это и является причиной появления сильного фонтана. Фонтан, который извергает кит, состоит из отработанного воздуха и водяного пара.
Для того чтобы набрать полные легкие свежего воздуха, кит выпускает фонтан неоднократно. После этого, он опускается в морские глубины. Известно, что некоторые киты способны погружаться на глубину до 600 метров. А некоторые особо крупные представители способны поднимать хвост над водой и прыгать в воздух, совершенно отрываясь от водной поверхности.
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.