Как змеи эволюционировали и утратили ноги? Современные технологии позволили это отследить

Летопись ископаемых останков змей достаточно скудная и в истории их развития есть огромные пробелы. Сегодня новые ископаемые останки и современные методы исследований позволяют открыть новые страницы в их эволюции.

Примерно 125 миллионов лет назад змеи, используя свою гибкую структуру тела, стремительно диверсифицировались, покоряя регионы, которые сейчас занимают шесть континентов, а также Индийский и Тихий океаны.

Змеи ползают по земле, зарываются в почву, плавают в море и скользят между деревьями, даже катаются на поездах и самолетах. Есть крошечные нитевидные змеи длиной всего несколько сантиметров и тонкие как спагетти, а есть питоны, длина которых превышает 6 метров. Существуют змеи, которые преследуют свою добычу, и змеи, поджидающие ее в засаде; змеи, которые душат свою жертву, и те, которые обездвиживают ее ядом. Змеи, откладывающие яйца, рожающие живых детенышей и те, которые могут размножаться без самцов.

Это впечатляющий набор способностей для причудливого ответвления в генеалогическом древе ящериц. Биологи говорят, что по сути, змеи представляют собой хищные трубки. Они не могут ходить или жевать пищу. Это кажется серьезным ограничивающим фактором для эволюции.

В обзоре ранней эволюции змей и ящериц, вышедшем в ежегодном журнале Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics, биологи смогли проследить часть эволюционной истории змей, которая долго оставалась загадкой для ученых.

Существует более 4000 описанных ныне живущих видов змей. Эволюционные биологи предполагают, что предки этой разнообразной группы появились около 160 миллионов лет назад, но неясно, какими были первые змеи — сухопутными, морскими или подземными.

Окаменелости самых древних змей до сих пор не найдены. Самые старые известные ископаемые происходят из самых разных сред обитания.

Одна из давних гипотез гласит, что змеи зародились под землей. Первоначальная идея основывалась на едва заметных глазах слепых змей, которые являются самой нижней ветвью в генеалогическом древе современных змей. Но слепые змеи приспособлены для обитания в муравейниках и термитниках — их черепа адаптированы к подземной среде обитания и насекомоядной диете. Исследователи пришли к выводу, что такие змеи не соответствуют параметрам основателей генеалогического древа всего семейства.

В конце XX века появились свидетельства, подтверждающие возможное морское происхождение змей. Ученые описали древних змей, живших почти 100 миллионов лет назад на Ближнем Востоке, когда эта территория находилась под водой. Исследователи связали этот род змей с мозазаврами, вымершими водными рептилиями, что породило предположение о появлении змей в воде. Однако эта гипотеза утратила свою актуальность: существуют и другие змеи, которые предшествовали водным змеям и явно были наземными.

Современная Патагония стала местом находки множества ископаемых останков змей, таких как Najash rionegrina (95 млн лет назад) и Dinilysia patagonica (80 млн лет назад) — тогда их среда обитания была похожа на пустыню. Dinilysia, вероятно, обитала на поверхности, но ситуация с Najash сложнее. Ее особенности черепа и позвоночника указывали на то, что она проводила некоторое время под землей. Оба вида были крупнотелыми, похожими на современных питонов. Как и питоны, они могли прятаться под землей, но охотились на поверхности.

Дополнительные доказательства смешанного происхождения получены на основе предположений о строении мозга ранних змей. Ученые использовали трехмерную рентгеновскую съемку для анализа черепной коробки почти 60 змей и ящериц, а также нескольких ископаемых останков змей. Исследователи выявили анатомию мозга роющих животных: у таковых обычно небольшой, уплощенный, треугольный мозжечок — отдел мозга, участвующий в движении. Когда исследователи смоделировали форму мозга предков змей, они получили как раз небольшой мозжечок, но другие черты были несовместимы с подземным образом жизни.

Сопоставив все доказательства, биологи решили придерживаться теории, что змеи эволюционировали на суше, возможно, в песчаной среде. Это позволило им время от времени передвигаться под землей

Еще одним важным событием в эволюции змей стало отмирание конечностей. Когда змея ползает под землей или передвигается по траве, конечности буквально «обременяют». Змеи утратили их от 150 до 125 млн лет назад, но до сих пор неясно, когда и где это произошло. Известные ископаемые змеи имели задние конечности, но не передние. На более раннем этапе должен был существовать четырехногий предок змей, но это недостающее звено до сих пор не нашли.

Затем появилось Breugnathair angolensis — четвероногое ископаемое юрского периода, найденное в Шотландии и описанное в журнале Nature в 2025 году. Челюсть B. elgolensis имеет некоторые змеиные черты, например, форму зубов и все необходимые характеристики черепа.

Змей от других безногих ящериц отличали и другие изменения. Для создания масштабной переписи рептилий ученые измерили черепа тысяч змей и ящериц, исследовали содержимое желудков музейных экспонатов и изучили записи о рационе питания, собрали 5400 конкретных генов более чем 1000 видов змей и ящериц.

Когда эти признаки сопоставили, стало очевидно, что 125 миллионов лет назад группа претерпела внезапные и значительные изменения в строении черепа, рационе питания и позвоночнике, которые позволили змеям диверсифицироваться и распространиться.

Главная эволюционная заслуга змей – их удивительно гибкие черепа, состоящие из костных фрагментов, соединенных мягкими тканями. Это ключевое изменение могло произойти еще до того, как змеи утратили ноги. На пути к составным черепам они сначала изменили черепную коробку. У большинства ящериц она выглядит как сэндвич: кость сверху, кость снизу, мозг внутри и открыт по бокам. Но у змей это больше похоже на обертку, костную трубку, открытую только к лицу и позвоночнику. Такая защита мозга позволяла змеям свободно перемещать остальные кости черепа.

Эти изменения черепа позволили выработать новые рационы питания благодаря эволюции змеиной челюсти. Хотя анатомия челюсти варьируется внутри группы, у многих змей нижняя и верхняя части соединены эластичными связками, что обеспечивает широкое раскрытие пасти. Две стороны нижней челюсти могут расходиться в стороны, еще больше расширяя пасть. Нёбо в верхней части пасти имеет правую и левую части, которые двигаются независимо, перемещая пищу в горло. Именно так питон может проглотить свинью. Змеи могут есть практически все, что движется. Есть змеи, которые питаются липкими слизнями и улитками , скользкими угрями и даже другими змеями.

Примерно в то же время змеи стали длиннее, увеличив длину тела на сотни позвонков между шеей и нижней частью тела. Удлиненная форма тела позволяет передвигаться быстрее и эффективнее. Дополнительная масса брюшной части обеспечивает большую площадь опоры для передвижения по земле или лазания по стволам деревьев. У водных змей увеличенная длина тела позволяет более эффективно передвигаться взад и вперед.

Однако эти особенности, столь благоприятные для распространения змей, буквально создают головную боль для палеонтологов: мертвые змеи распадаются на части, потому полноценные окаменелости — огромная редкость. У ученых остается много вопросов без ответа. Например, исследователи знают, что змеи родственны группам, включающим игуан и комодских варанов, а также, возможно, мозазавров, но точно неизвестно, кто из них является их ближайшими родственниками. 

Генетические исследования помогли выяснить, что отсутствие ног связано с потерей функции, способствующей развитию конечностей. Также у змей отсутствует ген, кодирующий «гормон голода» грелин. Это может облегчить им переносимость длительных периодов голодания; некоторые змеи могут обходиться без еды год и более.

Сейчас биологи секвенируют полные геномы более чем 100 видов змей и ящериц, что удвоит количество доступных высококачественных геномов. Благодаря этому, а также дополнительным данным о ныне живущих и ископаемых рептилиях, ученые рассчитывают построить более точные генеалогические древа.