Судя по реконструкции мозга, коккоцефал (Coccocephalus wildi) не уступал «умом и сообразительностью» некоторым современным рыбам, хотя и жил на 319 миллионов лет раньше. Рисунок © Márcio L. Castro c сайта news.umich.edu
Исследователи, изучающие эволюционную историю мозга, сердца и других внутренних органов сталкиваются со множеством проблем. Одна из самых ощутимых — скудость палеонтологического материал. Мягкие внутренние органы — первые кандидаты на разложение после гибели организма, так что чаще всего они вовсе не сохраняются в палеонтологической летописи. Лишь в случае редкой удачи окаменевший орган доходит до наших дней в виде точного слепка, позволяющего изучить его во всех подробностях. Именно такая удача улыбнулась американским исследователям, изучавшим череп рыбы позднего каменноугольного периода, жившей 319 миллионов лет назад. Просканировав окаменелость методом компьютерной томографии, они обнаружили в недрах черепа великолепный слепок мозга, позволивший во всех подробностях восстановить его структуру.
Большинство палеонтологических окаменелостей, лежащих в музеях, представляют собой остатки твердых частей тела — зубов, костей, панцирей и так далее. Мягкие ткани после смерти организма разлагаются в первую очередь. Поэтому для того, чтобы вездесущие микроорганизмы, «отвечающие» за посмертное разложение трупа, не успели приступить к своей работе, необходимо очень быстрое его захоронение в особых условиях (например, под слоем вулканического пепла или речного ила). Конечно, в некоторых случаях мягкие ткани могут сохраниться и без подобных ухищрений, но только если они достаточно прочные и жесткие сами по себе. Мозг, сердце или печень, увы, чересчур мягкие.
После этого начинается процесс фоссилизации, в ходе которого кости или панцирь пропитываются минеральными солями, пока сами не становятся каменными, а любые полости скелета заполняются породой. В случае черепа образуется точная отливка головного мозга: даже если сами кости в конце концов будут разрушены, слепок сохранится… разумеется, если он окажется сделан из более прочного материала, чем скелет владельца, и окажется захоронен в достаточно спокойном с геологической точки зрения месте. В противном случае вся кропотливая работа природы по его сохранению будет проведена впустую: движения земных плит и разрушительная сила эрозии уничтожат кости, а без такой существенной подсказки даже самый внимательный палеонтолог едва ли догадается, что лежащий под его ногами продолговатый камень (наверняка сломанный) — это на самом деле слепок мозга какого-нибудь доисторического животного.
Копия ископаемого слепка мозга тираннозавра в Австралийском музее в Сиднее. Слепок образовался естественным путем после смерти животного, заполнив полость разложившегося мозга. Фото © Matt Martyniuk с сайта en.wikipedia.org
В редких случаях, когда черепная коробка сохраняется достаточно хорошо, палеонтологи могут сами изготовить отливку мозга, использовав для этого обычный латекс: после извлечения она позволит по рисунку эндокрана восстановить внешний вид мозга. Также в последние годы все чаще используются цифровые методы исследования окаменелостей (например, компьютерная томография), позволяющие полностью реконструировать как череп, так и мозговую полость внутри, не повреждая саму окаменелость. Подобные неинвазивные методы изучения особенно ценны в случаях, когда исследователям доступен лишь единственный голотип, по которому был описан новый вид, и его повреждение, пусть и в научных целях, лишит будущие поколения ученых бесценного образца.
Именно с такой ситуацией сталкивались все предыдущие исследователи, бравшие в руки череп окаменевшей рыбы, больше века хранившийся в Манчестерском музее в Великобритании. Извлеченный из слоя талькохлорита в крыше угольной шахте Маунтин-Форфут в Ланкашире, череп рыбы был описан еще в 1925 году под именем коккоцефала (Coccocephalus wildi). Внешнее изучение окаменелости показало, что это примитивная лучеперая рыба из вымершего отряда палеонискообразных, плававшая в речном эстуарии позднего каменноугольного периода и, вероятно, захороненная в слое ила после смерти. Хотя ничего кроме черепа не сохранилось, ученые смогли приблизительно оценить длину рыбы в 15–20 сантиметров, то есть размером коккоцефал был с крупного ерша.
Голотип коккоцефала рядом с американским центом: череп повернут вправо, снизу можно увидеть челюсти рыбы. Фото © Jeremy Marble с сайта news.umich.edu
Поскольку был обнаружен один-единственный череп коккоцефала, долгие годы никто его досконального не изучал: он пылился на полках архива до тех пор, пока исследователи из Мичиганского университета (США) не просканировали окаменелость с помощью методов компьютерной томографии. Естественно, они не планировали увидеть внутри ничего интересного: целью сканирования было создать подробные трехмерные реконструкции ископаемых черепов, что позволило бы исследователям безопасно изучать их и выявить положение их владельцев положение на эволюционном древе рыб. Однако при изучении результатов сканирования исследователи обратили внимание на странную плотную структуру внутри рыбьего черепа, скрытую от глаз угольно-черными костями.
На томографическом снимке объект выглядит очень ярким. Следовательно, он состоит из более плотного материала, чем сами кости. Поэтому палеонтолог Мэтт Фридман (Matt Friedman) решил изучить его подробнее. Гипотеза о том, что он имеет дело с обычным минеральным наростом, почти сразу же отпала: объект был до странности симметричен, содержал полости, напоминающие мозговые желудочки, и был окружен целым ворохом «нитей», идущих от него наружу, в точности как черепные нервы в нашем мозгу. Учитывая его положение внутри рыбьего черепа и результаты повторного сканирования с более высоким разрешением, у ученых не осталось сомнений, что они имеют дело со слепком мозга животного, жившего 319 миллионов лет назад.
Череп и структура мозга ископаемой рыбы. Видео с сайта phys.org
Хотя исследователи не отрицают, что в процессе разложения мозговой ткани и замещения занимаемой ею полости минералом, предположительно — пиритом, форма слепка могла измениться, расположение черепных нервов (они все еще соединены с мозгом и достигают соответствующих отверстий в костях черепа) предполагает, что это искажение было невелико. Несмотря на положение коккоцефала на эволюционном древе рыб (он относится к примитивным лучеперым, жившим еще до появления общего предка всех современных представителей этого класса), его мозг, размером с изюмину, довольно сильно напоминает мозг современных лучеперых, особенно примитивных представителей этой группы — осетров и веслоносов.
В его структуре можно выделить переднюю, среднюю и заднюю части, причем особенно любопытен передний, или конечный мозг (telencephalon). У всех современных лучеперых рыб он развивается по эвертированному типу, при котором нервная ткань, формирующая полушария мозга, закручивается не вовнутрь (такой тип — инвертированный — характерен для хрящевых и двоякодышащих рыб, а также всех наземных позвоночных), а наружу. Эвертированный тип развития считается эволюционно-консервативным, «тупиковой ветвью», ведь даже у разных филетических групп лучеперых рыб, разделенных десятками миллионов лет независимой эволюции, структура мозга удивительно похожа. Напротив, у животных с инвертированным типом конечного мозга в эволюционной истории наблюдалось постоянное усложнение нервной системы, что в конечном итоге привело к появлению птиц и млекопитающих. И вот у коккоцефала, несмотря на принадлежность лучеперым, конечный мозг инвертированного типа: по-видимому, такой тип развития можно считать базальным для всех позвоночных, а вот эвертированный мозг лучеперых — странным казусом эволюции и «визитной карточкой» этого класса.
Структура мозга лопастеперых рыб (лепидосирен), базальных лучеперых рыб (коккоцефал) и продвинутых лучеперых рыб (амия и осетр). На реконструкциях мозга красным выделен сам мозг и черепные нервы, розовым — миелэнцефалическая железа (кроветворный орган в мозгу рыб), голубым — мозговая полость черепа. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
В мозгу коккоцефала сочетаются прогрессивные и примитивные признаки, хотя ученые не могут сказать точно, какие из них когда сформировались, ведь на сегодняшний день слепок мозга коккоцефала — единственный из сохранившихся у настолько древних представителей лучеперых рыб. Впрочем, считают исследователи, эта ситуация вполне поправима: случайная находка слепка мозга в совершенно непримечательном черепе каменноугольной рыбы, сто лет пылившемся в архивах английского музея, может стать ключом к палеонтологической сокровищнице, и новые сканирования ранее исследованных черепов рыб предоставят исследователям богатый материал по эволюции мозга в этой разнообразной группе водных позвоночных.
Анна Новиковская, Элементы
