Podívejte se na 200 milionů let historie druhů v jedné kosti. Paleontolog z Petrohradské univerzity hovoří o studiu evoluce krokodýlů | Petrohradská státní univerzita

Mladý vědec z Petrohradské státní univerzity Ivan Kuzmin se již deset let zabývá studiem moderních a fosilních krokodýlů a v Rusku patří k předním autorům vědeckých článků na toto téma. Ve své disertační práci zkoumal vývoj mozkového pouzdra krokodýlů a jejich dřívějších předků a zjistil, jakými evolučními změnami tato část lebky prošla u různých zástupců této skupiny.

Váš výzkumný tým se stal průkopníkem ve studiu mozkového pouzdra krokodýlomorfa. Proč tito současní tvorové zůstali až dosud neprozkoumaní?

Obranné materiály a záznam videopřenosu jsou k dispozici zde.

To je dobrá otázka, protože studie z roku 2021, na které je z velké části založena moje disertační práce, se týká především moderních zvířat: krokodýlů. V současné době je na planetě od 25 do 29 druhů. Tento rozpor je způsoben tím, že někteří badatelé určují druhy podle struktury kostí, zatímco jiní podle měkkých tkání a genetických údajů, a v tomto případě lze rozlišit až 29 druhů. Navzdory skutečnosti, že krokodýli žijí vedle nás a jsou zastoupeni v jakémkoli zoologickém muzeu na světě, byly různé části jejich lebky studovány heterogenně. Je mnohem snazší studovat kosti obličeje nebo střechu lebky, protože jsou umístěny venku, ale dostat se do vnitřních částí a struktur je obtížnější. Dříve při takových studiích musely být lebky zničeny: byly rozřezány na polovinu nebo na několik částí pomocí kotoučové pily. Přirozeně s tímto přístupem byla podrobnost studie nízká, protože trojrozměrná struktura se změnila na sadu dvourozměrných. Nástup moderních metod – počítačové tomografie a 3D modelování – umožnil zoologům a paleontologům studovat struktury, aniž by je zničili. V tomto případě je použit stejný princip: tomograf jej virtuálně (neškodně pro odběrový vzorek) rozřeže na velké množství řezů. Poté začneme ve speciálních programech hledat hranice kostí a jako v dětské omalovánce načrtneme zájmové struktury a počítač z nich sestaví trojrozměrný objekt. Z lebky můžete virtuálně „vyjmout“ požadovanou kost, i když je to jediný fosilní exemplář na světě.

Celkem jsem při práci na diplomové práci prostudoval asi 75 jedinců moderních krokodýlů a 72 vyhynulých druhů. V Rusku není k dispozici mnoho lebek ke studiu, a přestože jsou ve sbírkách velkých muzeí, musel jsem použít otevřená data ze zahraničních úložišť a dalších zdrojů, abych je porovnal s dostupnými materiály. Tímto způsobem bylo studováno asi 19 moderních druhů, z nichž některé byly zastoupeny 10–20 exempláři. Něco se nastudovalo z vědeckých publikací, k čemuž bylo potřeba pozvednout literaturu z 1850. století. Dat je skutečně nashromážděno mnoho, ale všechna jsou roztroušena kousek po kousku: jedna skutečnost je v článku z roku 1920, další z roku 2014. Výsledkem bylo, že když jsem si dal vše dohromady, mohli jsme se hodně dozvědět o tom, jak funguje mozková schránka krokodýlů, a také jasněji prezentovat data z minulé práce. Navzdory skutečnosti, že tato část lebky byla studována téměř dvě a půl století, zůstalo mnoho otázek, protože bylo obtížné dostat se k vnitřním strukturám pomocí dříve existujících metod. Také si myslím, že to snad nikdo nepotřeboval tak jako já: toto téma mě zajímá od roku XNUMX a věnuji se mu devět let.

Čím vás krokodýli zaujali?

Je to docela vtipná historka. Jako dítě jsem měl dinosaury rád už dlouho a vzpomněl jsem si na to až ve třetím ročníku studia na St. Petersburg State University, kdy jsem si musel vybrat, na co se plánuješ specializovat. Pak jsem přišel za svým budoucím vědeckým školitelem Pavlem Skuchasem a zeptal jsem se, kdo z pracovníků katedry zoologie obratlovců na tomto tématu pracuje – tehdy jsem ani nevěděl, že je to paleontolog. Chtěl jsem studovat dromaeosaury. Pokud si vzpomínáte na film „Jurský park“, byli tam velociraptoři, kteří běhali na zadních nohách ve smečkách a komunikovali spolu, takže patří do stejné rodiny. Pavel Petrovič ale řekl, že v paleontologii není všechno tak jednoduché. Ke studiu dinosaurů jsou potřeba kosti a všechny vzorky dromaeosauridů u nás už zkoumají jiní badatelé. Mezi volnými možnostmi zůstali fosilní nosorožci a krokodýli. Přirozeně jsem zvolil krokodýly, jelikož jsou prakticky příbuznými dinosaurů, společně patří do jednoho velkého taxonu archosaurů. Tomuto tématu se věnuji již od své bakalářské práce a sluší se říci, že se mi konečně podařilo dostat se k dinosaurům. Jak jsem stárnul a naučil se některé vědecké techniky, publikovali jsme s kolegy v roce 2020 článek o dinosauřím mozku a na tématu pracujeme dodnes.

Proč mozková schránka? K vypracování bakalářské práce mi byl poskytnut materiál – poměrně velký objem izolovaných kostí, se kterými bylo obtížné pracovat. Představte si, že 100 jedinců čtyř druhů bylo rozebráno, smícháno a položeno před vámi. Byla to čistá hádanka. Pro klasifikaci kostí do kategorií bylo nutné podrobně porozumět anatomii a rysům charakteristickým pro různé skupiny. Začal jsem studovat moderní krokodýly, abych pochopil, jak je každá kost strukturována, jaké má vlastnosti a jak se liší mezi různými skupinami krokodýlů.

Pak jsem začal věnovat pozornost struktuře mozkové schránky. Neurokranium moderních aligátorů se liší od neurokrania krokodýlů, ale kosti staré 90 milionů let jsou mu podobné. Když jsem začal hledat potvrzení svých pozorování v literatuře, uvědomil jsem si, že předchozí badatelé si toho nevšimli. Tak jsem si uvědomil, že jsem našel vědecký problém a budu pracovat tímto směrem. Ve své diplomové práci jsem shromáždil do jediné analýzy všechna svá pozorování o rozdílech ve struktuře mozkové lebky krokodýlů a krokodýlomorfů. Podařilo se mi zakódovat všechny znaky, provést fylogenetický rozbor a získat poměrně podrobný rodokmen krokodýlů. Je třeba říci, že se ukázalo, že je reprezentativní, ale některé fragmenty se liší od těch, které jsou přijímány v literatuře. To naznačuje, že ještě něčemu v evolučních konstrukcích úplně nerozumíme.

Pokud lze jeden fragment lebky použít k sestavení celého rodokmenu za 200 milionů let, znamená to, že jde o důležitý prvek, který nese systematicky významné vlastnosti. Další práce s ním nám umožní lépe porozumět rodinným vazbám a zavést nové rysy do analýzy skupiny.

Od roku 2014, po obhajobě bakalářské práce, jsem souběžně se studiem fosilních materiálů začal pracovat s moderními krokodýly, abych pochopil jejich stavbu a přenesl tyto poznatky na jejich předky. Když jsem je porovnal mezi sebou, našel jsem mnoho nových příznaků, které předtím výzkumníci nezaznamenali. Abychom mohli studovat fosilní vzorky, museli jsme zkontrolovat mnoho publikací a vizuálně najít na obrázcích ty rysy, které nebyly uvedeny v textu článku. A opravdu se mi podařilo objevit spoustu neznámého. Článek o anatomii moderních krokodýlů, shrnující celé mé sedmileté výzkumné zkušenosti, vyšel v Journal of Anatomy a vytvořil obálku. To byl základ pro práci s fosilními krokodýly.

V roce 2021 jste se svými kolegy popsali všechny struktury v krokodýlím mozku a přiřadili jste každému komponentu jediné jméno. Jak velký pokrok jste ve svém výzkumu za poslední rok udělali?

Ve skutečnosti je tato práce dokončena. V současné době pracujeme na studiu evoluce mozku archosaura. Vnitřní povrch mozkového pouzdra do určité míry odráží strukturu měkkých tkání, takže při jeho rekonstrukci je možné získat otisk mozku – endocast. Dříve to zahrnovalo řezání lebky, vyčištění dutiny a její naplnění latexem, ale nyní to lze provést virtuálně pomocí tomografie a trojrozměrného modelování. Práce se však provádí ručně a vytvoření jednoho modelu mozku trvá zhruba týden. Plánujeme vytvořit velký vzorek více než 100 XNUMXD modelů, abychom viděli, jak se mozek moderních krokodýlů během vývoje mění, od embryonálního stavu až po dospělého. Rád bych také identifikoval rozdíly mezi hlavními moderními skupinami – aligátory, kajmany, krokodýly a gharialové. Při této práci plánujeme nejen vizuální hodnocení endocastů fosilních a moderních krokodýlů, ale také aplikaci statistických metod včetně geometrické morfometrie. Umístěním značek na klíčová místa odlitků získáme mračna bodů, která lze pomocí programu porovnat. Možná bude k analýze vzorků použita umělá inteligence.

Kajmani, aligátoři, krokodýli a gharialové, stejně jako jejich společný předek, který žil v období křídy asi před 100 miliony let, jsou součástí korunní skupiny, která spojuje moderní zvířata a jejich posledního společného předka. Všichni se nazývají krokodýli (skupina Crocodylia). Zvířata, která jim předcházela, jim byla podobná, a proto se jim často říká starověcí fosilní krokodýli, ale jsou blíže příbuzní s jinými starověkými vyhynulými skupinami. Tato skupina se nazývá „krokodýli“ (skupina Crocodylomorpha) – podobně jako krokodýli. Objevily se před 230 miliony let v období triasu. Když tedy mluvíme o krokodýlomorfech, máme na mysli velkou skupinu, která zahrnuje jak moderní krokodýly, tak jejich „pradědy“.

Kromě toho jsme se svými studenty vytvořili 90D modely dříve naskenovaných lebek fosilních krokodýlů a krokodýlů. Pokračujeme ve sestavování výběru materiálů a doufáme, že v příštím roce získáme finanční prostředky na dokončení této práce. Mezi nezveřejněnými materiály je model mozku aligátora, který žil na území moderního Uzbekistánu asi před XNUMX miliony let – jednoho z nejstarších krokodýlů na světě. Také moji kolegové z Portugalska a Španělska publikovali článek o portugalské lebce, ve kterém jsem byl jedním ze spoluautorů. Díky svým bohatým zkušenostem s tomografií dokážu v mozku krokodýla najít věci, které ostatní špatně vidí, a tak jsem mohl pomoci s XNUMXD rekonstrukcí a srovnáním neurokraniových kostí. Mimochodem, Portugalosuchus je také jedním z nejstarších zástupců krokodýlů.

Jak byly vzorky naskenovány a následně modelovány? S jakými problémy jste se během procesu setkali?

Pokud je vzorek, o který máme zájem, malý a vhodný pro mikrotomografii, odvezeme ho do centra metod výzkumu rentgenové difrakce, kde specialisté provedou potřebné práce. Velké vzorky dáváme lékařům, kteří je skenují pomocí zařízení používaného pro humánní tomografii. Paleontologové nejsou přímo zapojeni do procesu získávání řezů, ale mohou operátorům sdělit přání ohledně pořadí postupu. Mikrotomograf má velmi vysoké rozlišení a umožňuje získat velké množství řezů, až 4000, přičemž vzdálenost mezi nimi bude několik mikronů. S tak velkými soubory obrázků samozřejmě nepracujeme. Největší mozková tomografie, na které jsem pracoval, byla od aligátora z Uzbekistánu a sestávala z přibližně 2000 XNUMX řezů. Zpracování mi trvalo tři měsíce. V průměru trvá práce s jednou sadou tomogramů asi týden nebo dva.

Hlavní částí práce výzkumníka je segmentace, tedy identifikace součástí ve vzorku: jednotlivých kostí a dutin, ve kterých ležel mozek, cév a nervových kanálků. K segmentaci dochází v programech Amira/Avizo, do kterých je načteno 100 až 2000 černobílých tomogramů. Bílé oblasti představují oblasti s nejvyšší hustotou a černé oblasti představují vzduch. Mezi nimi leží obrovská gradace odstínů šedé, které se musíte naučit rozlišovat. Navíc, pokud je v lebce moderního zvířete mozková dutina vyčištěna a všechny detaily jsou snadno rozpoznatelné, pak ve fosilním vzorku může být ucpaná horninou, která má téměř stejnou hustotu jako kosti. Nalezení hranic mezi kostmi také není vždy snadné: u moderního exempláře jsou mezi nimi jasně viditelné černé hranice – švy naplněné vzduchem, ale ve starověku si jich lze jen těžko všimnout. Lebky, které ležely v zemi miliony let, se dají stlačit a v tomto případě je stále nutné pochopit, kam byla která kost posunuta a proč leží v jiné projekci. Zkušenosti s moderními zvířaty zde hodně pomáhají, proto doporučuji začínajícím paleontologům, aby se na nich nejprve procvičili.

Ukazuje se, že každý moderní krokodýl do jisté míry projde 200 miliony let evoluce během pouhých několika dní svého vývoje, když je ve vejci.

Práce s tomografií je poměrně monotónní, ale zajímavá: často si na konci dne najednou všimnete, že jste našli novou strukturu, a vyvstává celá řada otázek s tím souvisejících. Často dostáváme otázku, proč se k této práci nepoužívá umělá inteligence. Podle mého názoru lze práci s moderními lebkami snadno automatizovat, protože kontrast mezi barvou kostí a dutin je docela patrný. Nedávno se neuronové sítě začaly používat ke studiu mozků včel a v roce 2022 se čínští paleontologové pokusili pomocí této technologie identifikovat kosti ve fosilních vzorcích, ale zde lidé stále vítězí v přesnosti.

Podařilo se vám během vašeho výzkumu objevit pro sebe něco nového nebo dojít k neočekávaným závěrům?

Ano, určitě. Bylo pro mě překvapivé pochopit, že během embryogeneze moderního krokodýla se kosti jeho mozkové lebky mění podobným způsobem, jakým se přetvářely během evoluce celé skupiny krokodýlomorfů. Již v 19. století bylo zaznamenáno, že něco podobného se děje s jinými kostmi, jako jsou palatiny, a zajímalo mě, že to funguje také pro neurokranium. Nyní se svými studenty plánujeme zmapovat procesy změny lebky krokodýlů během embryogeneze a krokodýlomorfů během evoluce a vzájemně je porovnat. Nyní se mi zdá, že by se různá oddělení měla vyvíjet asynchronně, ale některé fáze budou připomínat evoluční transformace, ke kterým došlo u vzdálených předků.

Řekněte nám prosím trochu o tom, jak probíhala vaše obrana. Je těžké bránit se podle vlastních pravidel St. Petersburg State University?

Opravdu se mi to líbilo, protože tato pravidla usnadňují život. Jediným problémem pro mě byl dvojjazyčný systém: dizertační práci jsem psal v angličtině, stejně jako ostatní své vědecké články, takže jsem ji potřeboval přeložit do ruštiny. Většinou je to asi naopak. Proces podání žádosti a samotný postup byl poměrně jednoduchý. Setkal jsem se s tím poprvé a podrobnosti jsem se dozvěděl od spolužáků, kteří se bránili dříve. Disertační oddělení podrobně a promptně zodpovědělo mé dotazy, takže žádné organizační problémy nenastaly. Vše proběhlo celkem hladce a moje zkušenost byla pozitivní.

Výsledky vašeho výzkumu byly použity k vytvoření prvního veřejně dostupného online kurzu o paleontologii a v loňském roce jste se dostali do finále soutěže „Za věrnost vědě“. Plánujete ve vzdělávacích aktivitách pokračovat?

Samozřejmě, protože schopnost komunikovat svůj výzkum v jednodušším jazyce je pro každého vědce důležitá. Pokud nedokážete vysvětlit, co děláte, znamená to, že svému předmětu příliš nerozumíte. Práce se širokým publikem na popularizaci paleontologie a zoologie je velmi zajímavá a důležitá. Když se například děti dozví, že zvířata žijící kolem nás se za miliony let stala tak, jak jsme je zvyklí vídat, pochopí, že globální vymírání způsobené lidmi může být velkou tragédií. To vše rozvíjí zájem o vědu a lásku k přírodě.

Ale studentů paleontologie každým rokem přibývá, takže postupně přecházím na jiný formát práce související s výchovou mladého personálu, který bude dál propagovat ruskou paleontologii. Nyní se zabýváme lákáním mladých lidí k vědeckým aktivitám: například jedním ze spoluautorů článku o mozku obrněného dinosaura, který vyšel v roce 2020, byl žák desáté třídy. Začal se mnou pracovat v osmé třídě školy a do dvou let se plně zapojil do studia. Nyní je studentem druhého ročníku na St. Petersburg State University a ve studiu tohoto tématu pokračuje.

V populární kultuře je o dinosaury velký zájem, ale kolik z těchto nadšenců se později dostane ke skutečné vědě? Jaká je dnes poptávka po paleontologech?

Část publika je skutečně odříznuta, protože věda představuje složitější problémy než pouhé zjištění, kolik dinosaurů bylo v novém roce objeveno a jak se jmenují. Přesto se počet studentů, kteří si přejí studovat paleontologii, postupně zvyšuje, pravděpodobně nejen díky aktivní populárně-vědecké činnosti Pavla Skuchase a dalších členů našeho týmu. Chlapi chápou, že práce paleontologa není jen koukání lupou na prachem pokryté kosti. Doporučuji například studentům studovat 3D modelování: tyto dovednosti budou užitečné nejen při jejich vědecké práci, ale také jim umožní, pokud si to přejí, přejít do vývoje her nebo vytvářet vlastní modely. Náš tým přemýšlí o vytvoření nových online kurzů paleontologie a v této oblasti je modelování prostě nezbytné k vytvoření vizuálního obrazu pro studenty.

Ve skutečnosti zůstává paleontologie stále spíše úzkým výklenkem. Znám snad téměř všechny paleontology obratlovců, kteří působí v Rusku. Vyšší konkurence by podle mě více stimulovala rozvoj vědy. St. Petersburg State University navíc letos snížila počet míst na postgraduální škole v oboru Biologie, takže studenti magisterského studia, kteří letos ukončí studium, budou muset hledat jiné možnosti dalšího rozvoje v tomto oboru. Byl bych rád, kdyby univerzita tomuto problému věnovala pozornost. Obecně je ale populárně-vědecký obsah mezi širokým publikem stále žádanější a paleontologů v zemi přibývá. Proto mohu říci, že alespoň v našem týmu je v posledních letech vidět jasný pokrok, a to je povzbuzující.

Rekordmanka v délce života Francouzka Jeanne Calmentová se dožila 122 let. Oficiálně se ještě nikomu nepodařilo překonat tento ohromující rekord, ale mezi zvířaty je mnoho těch, kteří žijí v průměru stejně dlouho, nebo dokonce déle.

Nejprve se pojďme rozhodnout, jak dlouho může žít člověk sám. Vědci se domnívají, že hranice lidského života je přibližně 115 let. Přitom průměrná délka života ve světě je dnes (k roku 2021) 73 let.

Ale někteří naši „sousedé“ ze zvířecí říše žijí po staletí a mají šanci nás v budoucnu přežít. Seznamte se tedy s úžasnými dlouhověkými zvířaty. Hatteria

Hatterias, kteří přežili i dinosaury, jsou nejstarší plazi na Zemi a žijí jen na několika ostrovech na Novém Zélandu. Jednotlivci se dožívají 100 let, ale díky zásahu člověka do jejich biotopu se průměrný život zvířat snížil na 60 let.

Foto: Adobe Stock

Kromě vysoké délky života má tuateria ještě jednu vlastnost – třetí (temenní) oko. Orgán pokrytý tenkou vrstvou kůže nemá duhovku a nemůže přijímat obrazy okolní reality, je však citlivý na intenzitu světla a slouží k lepší orientaci v prostoru. Želvy

Želvy obrovské z ostrova Aldabra na Seychelách jsou považovány za nejdéle žijící mezi svými želvami. V zajetí se dožívají v průměru 150 let. Předpokládá se, že nejstarší zástupce druhu, jménem Advaita, žil 250 let. Advaita zemřela kvůli infekci v prasklé skořápce. To znamená, že teoreticky by želva mohla žít déle.

Jonathan želva na St Helena Plantation v březnu 2020. Foto: Kevstan / WikiCommons (CC BY-SA 4.0)

Ale seychelská obří želva jménem Jonathan je nejstarší žijící želvou na světě. Jonathan dorazil na Svatou Helenu v roce 1882 jako dar guvernérovi ostrova a zůstává tam dodnes. Předpokládá se, že želvě bylo již asi 50 let, když dorazila na ostrov.

Žralok grónský

Podle vědců může průměrná délka života zástupců tohoto druhu žraloků dosáhnout nejméně 272 let. Největší grónský žralok je starý přibližně 500 let. Tato verze vznikla po změření délky stoletého: věří se, že tento druh roste o centimetr za rok a držitel rekordu byl přesně 502 centimetrů.

Foto: Adobe Stock

Odborníci vysvětlují vysokou délku života takových žraloků nízkým metabolismem – samice například pohlavně dospívají až ve 150 letech.

Velryba Bowhead

Navzdory skutečnosti, že průměrná délka života těchto savců v přírodě je asi 40 let, vědci se opakovaně setkali se zástupci tohoto druhu mnohem staršími než 100 let. Odborníci odhadují, že jednotlivé velryby grónské mohou žít více než 200 let.

Foto: Adobe Stock

Velryba grónská je jediným druhem velryby baleen, která tráví celý svůj život v polárních vodách. Savci tohoto druhu se živí výhradně planktonem.

Aleutský mořský okoun

Další mořská dlouhá játra. Jeho maximální zaznamenané stáří je 205 let.

Jedinci tohoto druhu neumírají stářím, ale pouze tím, že v důsledku déletrvajícího růstu a nárůstu hmoty se jejich rychlost pohybu snižuje – ryba nemůže dohnat kořist nebo naopak uniknout jinému predátorovi.