Введение
Эволюция китообразных, как считается, началась на Индийском субконтиненте от парнокопытных (Artiodactyla) 50 миллионов лет назад (млн лет назад) и продолжалась в течение как минимум 15 миллионов лет. Китообразные – это полностью водные морские млекопитающие, принадлежащие к отряду Artiodactyla, отделившиеся от других парнокопытных около 50 млн лет назад. Предполагается, что китообразные эволюционировали в эоцене (56–34 млн лет назад), второй эпохе современной кайнозойской эры. Молекулярные и морфологические анализы указывают на то, что китообразные и бегемоты имеют относительно недавнего общего предка и являются близкородственными группами. Будучи млекопитающими, они поднимаются на поверхность, чтобы дышать воздухом; у них пять костей пальцев (парнокопытных) в плавниках; они вскармливают своих детенышей; и, несмотря на полностью водный образ жизни, сохраняют многие скелетные признаки своих наземных предков. Исследования, проведенные в конце 1970-х годов в Пакистане, выявили несколько этапов перехода китообразных от жизни на суше к жизни в море. Два современных подотряда китообразных – Mysticeti (усатые киты) и Odontoceti (зубатые киты) – предположительно отделились друг от друга около 28–33 млн лет назад во время второго распространения китообразных, первое из которых произошло у археоцетов. Адаптация эхолокации у зубатых китов отличает их от полностью водных археоцетов и ранних усатых китов. Появление уса у усатых китов происходило постепенно, причем у более ранних видов было очень мало уса, а их размер связан с зависимостью от уса (и последующим увеличением фильтрационного питания).
The evolution of cetaceans is thought to have begun in the Indian subcontinent from even toed ungulates (Artiodactyla) 50 million years ago (mya) and to have proceeded over a period of at least 15 million years. Cetaceans are fully aquatic marine mammals belonging to the order Artiodactyla and branched off from other artiodactyls around 50 mya. Cetaceans are thought to have evolved during the Eocene (56 34 mya), the second epoch of the present extending Cenozoic Era. Molecular and morphological analyses suggest Cetacea share a relatively recent closest common ancestor with hippopotami and that they are sister groups. Being mammals, they surface to breathe air; they have five finger bones (even toed) in their fins; they nurse their young; and, despite their fully aquatic life style, they retain many skeletal features from their terrestrial ancestors. Research conducted in the late 1970s in Pakistan revealed several stages in the transition of cetaceans from land to sea. The two modern parvorders of cetaceans – Mysticeti (baleen whales) and Odontoceti (toothed whales) – are thought to have separated from each other around 28–33 mya in a second cetacean radiation, the first occurring with the archaeocetes. The adaptation of animal echolocation in toothed whales distinguishes them from fully aquatic archaeocetes and early baleen whales. The presence of baleen in baleen whales occurred gradually, with earlier varieties having very little baleen, and their size is linked to baleen dependence (and subsequent increase in filter feeding).
Ранняя эволюция
Водный образ жизни китообразных впервые возник на Индийском субконтиненте у четверокопытных млекопитающих 50 миллионов лет назад, а эта начальная стадия продолжалась около 4-15 миллионов лет. Археоцети – вымерший надотряд китов, включающий древнейших китов. Традиционная гипотеза эволюции китообразных, впервые предложенная Ван Валеном в 1966 году, заключалась в родстве китов с мезонихиями – вымершим отрядом хищных четверокопытных (копытных), напоминавших волков с копытами и являвшихся сестринской группой по отношению к артиодактилам (четверокопытным). Эта гипотеза была выдвинута из-за сходства между необычными треугольными зубами мезонихий и зубами ранних китов. Однако данные молекулярной филогенетики указывают на то, что киты очень тесно связаны с артиодактилами, а бегемоты являются их ближайшими ныне живущими родственниками. В связи с этим китообразные и бегемоты объединяются в один подотряд – Whippomorpha.
Индо-хозяйство
Индохиус был небольшим животным, похожим на кабаргу, обитавшим около 48 миллионов лет назад на территории современного Кашмира. Это позволяет предположить, что он использовал схожую стратегию выживания с африканской или водяной кабаргой, которая, при угрозе со стороны хищной птицы, ныряет в воду и прячется под поверхностью до четырех минут. Первые окаменелости индохиуса были обнаружены индийским геологом А. Ранга Рао. Он нашел несколько зубов и челюстную кость среди собранных им горных пород. После его смерти его вдова Лилавати Рао передала эти породы профессору Хансу Тевиссену. Лаборант профессора случайно расколол пару пожертвованных пород и обнаружил дополнительные окаменелости индохиуса.
Пакисетиды
Пакицетиды были дигиградными копытными млекопитающими, которые считаются самыми ранними известными китообразными, а Indohyus – их ближайшей сестринской группой. Они жили в начале эоцена, около 50 миллионов лет назад. Их окаменелости впервые были обнаружены в 1979 году в Северном Пакистане, на реке недалеко от берегов бывшего океана Тетис. После первоначального открытия было найдено больше окаменелостей, в основном в ранних эоценовых речных отложениях на севере Пакистана и северо-западе Индии. Исходя из этих находок, пакицетиды, вероятно, обитали в засушливой среде с пересыхающими ручьями и умеренно развитыми поймами рек миллионы лет назад. Их рацион, скорее всего, включал наземных животных, подходивших к воде для питья, или некоторых пресноводных водных организмов, обитавших в реке. Пакицетиды классифицируются как китообразные главным образом из-за строения слуховой буллы (ушной кости), которая формируется только из эктотимпанальной кости. Форма ушной области у пакицетидов весьма необычна, а череп напоминает череп китообразных, хотя дыхало на этой стадии еще отсутствует. Челюсть пакицетидов также лишена увеличенного отверстия (челюстного отверстия), заполненного жиром или маслом, которое используется для приема подводных звуков у современных китов. У них расположены спинные глазницы (глазные впадины направлены вверх), что характерно для крокодилов. Такое расположение глаз помогает подстерегающим хищникам наблюдать за потенциальной добычей над поверхностью воды. Изначально предполагалось, что уши пакицетидов приспособлены для подводного слуха, но, что вполне ожидаемо, учитывая анатомию этого существа, уши пакицетидов специализированы для слуха на суше. Тем не менее, пакицетиды могли слышать под водой, используя усиленную костную проводимость, а не полагаясь на барабанную перепонку, как другие наземные млекопитающие. Этот способ слуха не обеспечивал направленного слуха под водой.
Амбулоцетиды
Амбулоцет, живший около 49 миллионов лет назад, был обнаружен в Пакистане в 1994 году. Это были отдалённо напоминавшие крокодилов млекопитающие, обладавшие крупными бревиростриновыми челюстями. В эоцене амбулоцетиды населяли заливы и устья древнего океана Тетис на севере Пакистана. Окаменелости амбулоцетидов всегда находят в прибрежных мелководных отложениях, связанных с обилием ископаемых морских растений и прибрежных моллюсков. Вероятно, они плавали, используя движения таза (способ плавания, при котором основную движущую силу создают задние конечности в воде) и волнообразные движения хвоста (способ плавания, использующий изгибы позвоночного столба для создания тяги), как это делают выдры, тюлени и современные китообразные. Это промежуточная ступень в эволюции способа передвижения китообразных, поскольку современные китообразные плавают за счёт хвостовой осцилляции (способ плавания, схожий с волнообразными движениями хвоста, но более энергоэффективный).
Реммингтоноцетиды
Ремингтоноцетиды обитали в Среднем эоцене в Южной Азии, примерно 49–43 миллиона лет назад. По сравнению с семействами Pakicetidae и Ambulocetidae, Remingtonocetidae было разнообразным семейством, распространенным на севере и в центральном Пакистане, а также на западе Индии. Ископаемые ремингтоноцетидов также находили в мелководных морских отложениях, однако они были явно более приспособлены к водной жизни, чем амбулоцетиды. Это подтверждается находками их окаменелостей в различных прибрежных морских средах, включая прибрежные зоны и лагуны. Уменьшение размеров тесно связано с расселением китообразных в морскую среду. Согласно исследованию 2002 года, проведенному Spoor et al., эта модификация системы полукружных каналов могла представлять собой критическую «точку невозврата» в ранней эволюции китообразных, исключающую длительную полуводную фазу. Их полуводный образ жизни подтверждается обнаружением беременной Maiacetus, у которой окаменелый плод располагался для родов головой вперед, что указывает на то, что Maiacetus рожала на суше. Если бы они рожали в воде, плод располагался бы для родов хвостом вперед, чтобы избежать утопления во время родов. В отличие от ремингтоноцетидов и амбулоцетидов, протоцетиды имеют большие глазницы, ориентированные в боковом направлении. Все более боковое расположение глаз могло использоваться для наблюдения за подводной добычей и напоминает глаза современных китообразных. Кроме того, ноздри были большими и располагались на середине морды. Большое разнообразие зубов свидетельствует о разнообразных способах питания у протоцетидов. Строение стопы Rodhocetus показывает, что протоцетиды были преимущественно водными животными. Исследование 2001 года, проведенное Gingerich et al., предположило, что Rodhocetus передвигался в океанической среде аналогично амбулоцетидам, используя движения тазом в качестве гребка, дополняемые волнообразными движениями хвоста. Наземное передвижение Rodhocetus было сильно ограничено из-за строения задних конечностей. Считается, что они двигались подобно ушастым тюленям на суше, поворачивая задние ласты вперед и под тело.
Базилозавриды
Базилозавриды и дорудонтины обитали вместе в конце эоцена, примерно 41–33,9 миллиона лет назад, и являются самыми древними известными китообразными, полностью перешедшими к обитанию в воде. В отличие от них, у дорудонтинов позвоночник был короче, но мощнее. У них также был хвостовой плавник, и, в отличие от базилозавридов, они, вероятно, плавали подобно современным китообразным, используя колебательные движения хвостом. И базилозавриды, и дорудонтины относительно близкородственны современным китам, относящимся к надотрядам Odontoceti и Mysticeti. Однако, согласно исследованию Фордайса и Барнса 1994 года, большой размер и удлиненные позвонки базилозавридов исключают их из числа предков современных форм. Что касается дорудонтинов, то некоторые виды в этой группе не имеют удлиненных позвонков, и они могли быть непосредственными предками Odontoceti и Mysticeti. Остальные базилозавриды вымерли. Развитие фильтрационного питания могло быть следствием глобальных изменений окружающей среды и физических изменений в океанах. Масштабные изменения океанических течений и температуры могли способствовать распространению современных мистицетов. Ранние виды усатых китов, или "археомистицеты", такие как Janjucetus и Mammalodon, имели очень мало уса и в основном полагались на свои зубы. Существуют также доказательства генетической составляющей эволюции беззубых китов. В генах, связанных с производством эмали у современных усатых китов, были выявлены множественные мутации. Это в основном мутации вставки/делеции, приводящие к появлению преждевременных стоп-кодонов. Недавние исследования также показали, что развитие уса и потеря зубов, покрытых эмалью, произошли по одному разу и оба раза – на стволовой ветви мистицетов. Обычно предполагается, что четыре современных семейства мистицетов имеют отдельные корни среди кетотер. Современные усатые киты – Balaenopteridae (полосатики и горбатый кит, Megaptera novaengliae), Balaenidae (гладкие киты), Eschrichtiidae (серый кит, Eschrictius robustus) и Neobalaenidae (карликовый гладкий кит, Caperea marginata) – обладают производными характеристиками, которых в настоящее время нет ни у одного кетотера, и наоборот (например, сагиттальный гребень). Мистицеты также известны своим гигантизмом, поскольку усатые киты – одни из самых крупных организмов, когда-либо существовавших на Земле; они достигают длины более 20 м и весят более 100 000 кг. Этот гигантизм напрямую связан с их механизмом питания: размер мистицетов, как было установлено, зависит от количества уса, которое они могут использовать для фильтрации добычи. Кроме того, размер – это признак, подверженный положительному отбору, который повышает приспособленность мистицетов. Поэтому популяции мистицетов будут медленно, но верно становиться еще более гигантскими, поскольку отбираются киты с большим количеством уса.
Зубчатые киты
Адаптация эхолокации произошла, когда зубатые киты (Odontoceti) отделились от усатых китов, и отличает современных зубатых китов от полностью водных археоцетов. Это произошло около 34 миллионов лет назад во время второго излучения китообразных. Современные зубатые киты не полагаются на зрение, а на гидролокатор для охоты на добычу. Эхолокация также позволила зубатым китам нырять глубже в поисках пищи, при этом свет больше не был необходим для навигации, что открыло новые источники пищи. Зубатые киты используют эхолокацию, создавая серию щелчков, испускаемых на различных частотах. Звуковые импульсы испускаются, отражаются от объектов и принимаются через нижнюю челюсть. Черепа Сквалодона свидетельствуют о первом предполагаемом появлении эхолокации. Сквалодон жил с раннего до середины олигоцена до середины миоцена, около 33–14 миллионов лет назад. Сквалодон имел несколько общих черт с современными зубатыми китами: череп был хорошо сжат (чтобы освободить место для дыни – части носа), рострум телескопически вытягивался в клюв, что является характерной чертой современных зубатых китов и придавало Сквалодону сходный с ними внешний вид. Однако маловероятно, что сквалодонтиды являются прямыми предками современных зубатых китов. Первые океанические дельфины, такие как кентриодонты, эволюционировали в конце олигоцена и сильно диверсифицировались в середине миоцена. Первые ископаемые киты, найденные вблизи мелководья (где обитают дельфины), были обнаружены в северной части Тихого океана; виды, такие как Semirostrum, были найдены вдоль побережья Калифорнии (в тогдашних эстуариях). Эти животные распространились на европейские побережья и в Южное полушарие гораздо позже, в плиоцене. Самый ранний известный предок арктических китов – Denebola brachycephala из позднего миоцена, около 9–10 миллионов лет назад. Единственный окаменелый экземпляр из Нижней Калифорнии указывает на то, что этот род когда-то обитал в более теплых водах. Древние кашалоты отличаются от современных количеством зубов и формой лица и челюстей. Например, Scaldicetus имел сужающийся рострум. У родов олигоцена и миоцена были зубы в верхних челюстях. Эти анатомические различия позволяют предположить, что эти древние виды не обязательно были охотниками на глубоководных кальмаров, как современные кашалоты, но некоторые роды питались в основном рыбой. В отличие от современных кашалотов, большинство древних кашалотов были приспособлены для охоты на китов. Livyatan имел короткий и широкий рострум шириной 3 метра, что позволяло ему наносить серьезный урон крупной добыче, такой как другие ранние киты. Виды, подобные этим, коллективно известны как кашалоты-убийцы или макрорапториальные кашалоты. Клюворылые киты состоят из более чем 20 родов. Ранние виды, вероятно, были добычей для кашалотов-убийц и крупных акул, таких как мегалодон. В 2008 году у побережья Южной Африки было обнаружено большое количество ископаемых зифидов, что подтверждает, что сохранившиеся виды зифидов могут быть лишь остатком более высокого разнообразия, которое впоследствии вымерло. Изучив многочисленные окаменелые черепа, исследователи обнаружили отсутствие функциональных верхнечелюстных зубов у всех южноафриканских зифидов, что свидетельствует о том, что присасывающее питание уже развилось у нескольких родов клюворылых китов в миоцене. У вымерших зифидов также были крепкие черепа, что позволяет предположить, что бивни использовались во взаимодействиях между самцами. Хотя они несколько напоминали волка, окаменелости пакицетидов показали, что глазницы были расположены намного ближе к макушке головы, чем у других наземных млекопитающих, но аналогично строению глаз у китообразных. Их переход от наземного образа жизни к водной среде привел к изменению формы черепа и пищеварительного аппарата, поскольку изменились пищевые привычки. Изменение положения глаз и костей конечностей связано с тем, что пакицетиды стали водолазами. Амбулоцетиды также начали развивать длинные морды, что наблюдается у современных китообразных. Их конечности (и предполагаемый способ передвижения) были очень похожи на выдр. Отсутствие конечностей у китообразных не является регрессом полностью сформированных конечностей и не означает отсутствие инициации зачатков конечностей, а скорее остановку развития зачатков конечностей. Зачатки конечностей развиваются нормально у эмбрионов китообразных. Иногда гены, кодирующие более длинные конечности, вызывают появление миниатюрных ног у современных китов (атавизм). У Pakicetus была тазовая кость, наиболее похожая на тазовую кость наземных млекопитающих. У более поздних видов, таких как Basilosaurus, тазовая кость, больше не прикрепленная к позвонкам и подвздошной кости, была редуцирована. Считалось, что тазовый пояс у современных китообразных является рудиментарной структурой, не имеющей никакой функции. Однако тазовый пояс у самцов китообразных отличается по размеру от такового у самок, и предполагается, что размер является результатом полового диморфизма. Тазовые кости современных самцов китообразных более массивные, длинные и крупные, чем у самок. Учитывая проявленный половой диморфизм, они, вероятно, участвовали в поддержании мужских гениталий, которые остаются скрытыми за брюшной стенкой до полового размножения. Ранние археоцетиды, такие как Pakicetus, имели ноздри на конце морды, но у более поздних видов, таких как Rodhocetus, отверстия начали смещаться к верхней части черепа. Это известно как смещение ноздрей. Ноздри современных китообразных превратились в дыхала, позволяющие им подниматься на поверхность, вдыхать и погружаться с удобством. Уши также начали перемещаться внутрь, и, в случае Basilosaurus, средние уши начали принимать вибрации от нижней челюсти. Современные зубатые киты используют свой жировой орган (melon), подушечку жира, для эхолокации.
Радиационные события
Существует три основных события радиации, которые отмечают диверсификацию и видообразование в эволюционной истории китообразных. Первый произошел около середины эоцена (40 млн лет назад), когда эти ранние китообразные покинули речные и мелководные прибрежные среды обитания, что подготовило почву для Protocetidae – первых полностью морских китообразных. Время этого второго радиационного события не случайно, поскольку последующая диверсификация китообразных, вероятно, была обусловлена новыми экологическими возможностями, которые изменения в океанах им предоставили. Последнее крупное радиационное событие, происходившее в течение среднего миоцена и плиоцена (12 млн лет назад – 2 млн лет назад), не было вызвано конкретным событием, но связано с широкой родовой экспансией зубатых и усатых китов. Культура – это специфическое для группы поведение, передаваемое посредством социального обучения. Использование орудий для облегчения добычи пищи – один из примеров. То, использует ли дельфин орудие или нет, влияет на его пищевое поведение, что приводит к различиям в рационе. Кроме того, использование орудия открывает новую экологическую нишу и доступ к новой добыче для конкретного дельфина. Из-за этих различий уровень приспособленности дельфинов в популяции меняется, что в конечном итоге приводит к эволюции в долгосрочной перспективе. Культура и социальные сети сыграли важную роль в эволюции современных китообразных, что подтверждается исследованиями, показывающими, что дельфины предпочитают партнеров с одинаковым социально усвоенным поведением, а горбатые киты используют песни между районами размножения. Особенно для дельфинов, наибольшее негенетическое влияние на их эволюцию оказывают культура и социальная структура. Согласно исследованию 2014 года, популяцию индо-тихоокеанских дельфинов-бутылоносов (Tursiops sp.) в районе залива Акул в Западной Австралии можно разделить на дельфинов, использующих губки, и не использующих их. Дельфины, использующие губки, надевают морские губки на клювы для защиты от порезов, шипов скатов или токсичных организмов. Губки также помогают дельфинам выслеживать рыбу без плавательного пузыря, поскольку эхолокация затрудняет обнаружение этой рыбы на сложном фоне. Дельфины, использующие губки, специально охотятся в глубоких каналах, в то время как дельфины, не использующие губки, встречаются как в глубоких, так и в мелководных каналах. Это поведение, связанное с добычей пищи, передается от матери к детенышу. Следовательно, поскольку это групповое поведение, передаваемое посредством социального обучения, использование орудий считается культурной чертой. Это указывает на то, что молодые самцы оказывают социальное давление на своих младших сородичей. Фактически, задокументировано, что молодые самцы часто проявляют агрессию, доминирование и запугивание по отношению к молодым самцам. Генетические исследования дельфинов Клаймена (Stenella clymene), посвященные их естественной истории, показали, что происхождение этого вида на самом деле является результатом гибридного видообразования. Гибридизация между дельфинами-спиннерами (Stenella longirostris) и полосатыми дельфинами (Stenella coeruleoalba) в Северной Атлантике была вызвана постоянным совместным использованием среды обитания этими двумя видами. Связь между этими тремя видами предполагалась из-за заметного сходства в анатомии дельфинов Клаймена и дельфинов-спиннеров, что привело к тому, что первый считался подвидом последнего до 1981 года, а возможность того, что дельфин Клаймена является гибридом между дельфином-спиннером и полосатым дельфином, была поставлена под сомнение на основе анатомических и поведенческих сходств между этими двумя видами.
Экологические факторы
Последовательность генома, полученная в 2013 году, показала, что дельфины реки Янцзы, или "байджи" (Lipotes vexillifer), не имеют однонуклеотидных полиморфизмов в своем геноме. Реконструировав историю генома байджи для этого вида дельфинов, исследователи обнаружили, что значительное снижение генетического разнообразия, вероятно, произошло из-за эффекта узкого горлышка во время последнего оледенения. В этот период уровень моря повышался, а глобальные температуры росли. Другие исторические климатические события также могут быть сопоставлены с историей генома речного дельфина Янцзы. Это демонстрирует, как глобальные и локальные изменения климата могут существенно влиять на геном, приводя к изменениям в приспособленности, выживаемости и эволюции вида. Европейская популяция обыкновенных дельфинов (Delphinus delphis) в Средиземном море дифференцировалась на два типа: восточный и западный. Согласно исследованию 2012 года, это, по-видимому, связано с недавним узким горлышком, которое резко сократило численность восточносредиземноморской популяции. Кроме того, отсутствие популяционной структуры между западными и восточными регионами представляется противоречивым по отношению к отчетливым популяционным структурам, наблюдаемым в других регионах обитания дельфинов. Даже при отсутствии физических барьеров между регионами, дельфины Средиземноморья все же дифференцировались на два типа из-за экологических и биологических факторов. Следовательно, различия между восточными и западными дельфинами, скорее всего, обусловлены высокоспециализированным выбором экологической ниши, а не только физическими барьерами. Таким образом, окружающая среда играет важную роль в дифференциации и эволюции этого вида дельфинов. Дивергенция и видообразование у афалин в значительной степени связаны с изменениями климата и окружающей среды на протяжении истории. Исследования показывают, что разделение внутри рода коррелирует с периодами быстрых климатических изменений. Например, изменение температуры могло привести к изменению прибрежного ландшафта, освобождению экологических ниш и появлению возможностей для разделения. В частности, в северо-восточной Атлантике генетические данные свидетельствуют о дифференциации афалин на прибрежные и пелагические типы. Дивергенция, по всей вероятности, произошла в результате события-основателя, когда отделилась большая группа. После этого отдельные группы адаптировались и сформировали собственные нишевые специализации и социальные структуры. Эти различия привели к дивергенции и сохранению разделения между двумя группами. Два эндемичных, отчетливо различающихся типа короткоплавниковых кашалотов – Таппанага (или Шиогондо), более крупный северный тип, и Магондо, более мелкий южный тип – встречаются вдоль Японского архипелага, где ареалы этих двух типов в основном не перекрываются океаническим фронтом в районе самой восточной точки острова Хонсю. Предполагается, что локальное вымирание длинноплавниковых кашалотов в Северной части Тихого океана в XII веке могло спровоцировать появление Таппанаги, в результате чего короткоплавниковые кашалоты колонизировали более холодные ареалы, ранее занимаемые длинноплавниковыми. Киты с характеристиками, сходными с Таппанагой, встречаются также вдоль острова Ванкувер и северного побережья США.