«Инструкция» к черепу крокодила: ученые СПбГУ впервые описали все структуры мозговой коробки животного, изучив более 70 их 3D-моделей

Палеонтологи СПбГУ впервые в мире описали все структуры в мозговой коробке черепа современных крокодилов и присвоили единое название каждой ее составляющей. Также в ходе работы исследователям удалось найти новые эволюционные признаки в мозговой коробке животных и разобраться, за счет каких механизмов она приобрела свой нынешний вид.

3D-модель черепа ложного гавиалаTomistoma schlegelii, кости мозговой коробки показаны цветом. Образец из коллекции Зоологического музея МГУ, г. Москва

Результаты были опубликованы в Journal of Anatomy

Мозговая коробка крокодилов имеет особое строение. В отличие от эволюционных родственников (птиц и ящериц), у крокодилов все кости мозговой коробки плотно сращены между собой и образуют монолитную структуру. За счет этого в процессе эволюции у животных сформировались мощные челюсти, благодаря которым крокодилы смогли разгрызать твердый панцирь раков и черепах, охотиться на рыбу и наземных животных, включая динозавров. Таким образом им удалось занять нишу хищников и дожить до современности.

Сегодня по сравнению с другими отделами черепа крокодилов строение мозговой коробки изучено недостаточно хорошо. Все потому, что до недавнего времени у ученых не было возможности исследовать монолитную структуру так, чтобы в итоге ценный коллекционный образец остался целым. Одновременно с этим в уже известных данных существует путаница в терминах и обозначениях — это затрудняет работу многим исследователям, занятым изучением эволюции крокодилов.

Исправить эту ситуацию решили аспирант СПбГУ Иван Кузьмин вместе с коллегами из СПбГУ, Палеонтологического института РАН имени А. А. Борисяка, Научно-практического клинического центра диагностики и телемедицинских технологий департамента здравоохранения города Москвы и Смитсоновского института (США). Для этого с помощью компьютерной томографии и специальной программы для трехмерной визуализации Amira они создали и изучили 3D-модели 75 мозговых коробок современных крокодилов. Это позволило, не повреждая коллекционные образцы, в буквальном смысле разобрать их по косточкам и изучить каждую деталь. Кроме того, исследователи проанализировали научные публикации с описанием строения мозговой коробки с начала XIX века. Самой ранней изученной работой стала статья 1821 года.

В результате ученые составили сводную таблицу, в которой присвоили название каждой структуре в мозговой коробке крокодилов.

Наша работа — первая, в которой подробно описан этот отдел черепа и приведен полный упорядоченный перечень всех его деталей. Некоторые термины мы ввели впервые, например названия отростков костей в слуховой области. В одних случаях потому, что структуры были названы до нас неправильно, в других — потому что мы обнаружили новые звенья.

Первый автор исследования, магистр СПбГУ Иван Кузьмин

В ходе изучения 3D-моделей черепов исследователи нашли ранее неизвестные эволюционные признаки. Новые данные, по мнению ученых, смогут помочь лучше разобраться в строении скелета крокодилов, а также разрешить противоречия вокруг генеалогического древа пресмыкающихся. Дело в том, что уже почти 30 лет молекулярные биологи и палеонтологи не могут сойтись во мнении, в какой последовательности должны располагаться виды крокодилов на филогенетическом дереве. Так, например, молекулярные биологи на основании исследований генов считают, что самыми примитивными являются аллигаторы, а палеонтологи, изучая ископаемые остатки, приходят к выводу, что гавиалы. «В дальнейшем мы планируем провести филогенетический анализ и на основании результатов разрешить этот конфликт, — рассказывает Иван Кузьмин. — По начальным предположениям, скорее всего, правы молекулярные биологи».

Анимация отдельных костей мозговой коробки ложного гавиала Tomistoma schlegelii. Образец из коллекции Зоологического музея МГУ, г. Москва

Во время исследования авторы также выяснили, за счет каких механизмов мозговая коробка крокодилов приобрела монолитное строение. Исследователи сравнили эволюцию черепа у ископаемых родственников крокодилов с развитием черепа у эмбрионов современных животных. Они обнаружили, что в районе мозговой коробки у крокодилов, в отличие от ящериц и птиц, на начальном этапе онтогенеза появляются дополнительные структуры.

«Кость у эмбриона формируется двумя способами: эндохондральным и дермальным. В первом случае сначала появляется хрящ, который впоследствии окостеневает. Во втором кость закладывается сразу как кость, — объясняет Иван Кузьмин. — Большая часть мозговой коробки всех животных образуется эндохондральным способом. Но у крокодилов, как выяснилось, все происходит иначе. Помимо структур, которые формируются эндохондрально, у них появляются новые звенья, закладывающиеся сразу в виде костей. То есть к хрящевым структурам, как в конструкторе LEGO, присоединяются новые костные блоки, которые у других животных отсутствуют. При дальнейшем росте эмбриона хрящи преобразуются в кости, и все срастается вместе в единую структуру».