Учёные Мичиганского университета с помощью искусственного интеллекта обнаружили необычную закономерность в эволюции воробьинообразных — огромной группы, к которой относится большинство певчих птиц.
Оказалось, что их тела менялись не с постоянной скоростью. Долгие периоды медленных преобразований прерывались короткими и мощными всплесками эволюции. Причём несколько важнейших скачков совпали с серьёзными изменениями климата Земли.
Эволюционная теория давно предполагает, что новые группы организмов могут возникать во время бурного расширения разнообразия, после которого темпы изменений постепенно снижаются. Ископаемые находки давали некоторые подтверждения этой идеи, однако теперь исследователи выявили похожую картину по скелетам современных птиц.
Для работы команда изучила более двух тысяч видов и собрала свыше 170 тысяч измерений отдельных костей. Обработать такой объём данных удалось благодаря системе искусственного интеллекта «Скелевижн», разработанной лабораторией Брайана Уикса совместно с лабораторией Дэвида Фоуи из Нью-Йоркского университета.
Скелеты фотографировали на фоне специальной сетки, обеспечивавшей единый масштаб. За семь лет исследователи обучили систему точно измерять 12 костей в каждом птичьем скелете.
Всего учёные отсканировали более 15 тысяч музейных образцов, большинство из которых хранилось в Зоологическом музее Мичиганского университета. Обработка одного скелета занимала около 45 секунд, что позволило оцифровать коллекции намного быстрее, чем при ручных измерениях.
Ведущий автор исследования Джейк Берв также создал новый статистический метод «Бифрост». С его помощью команда анализировала не отдельные кости, а весь скелет как единую связанную систему.
На основе различий между современными видами модель восстановила последовательность изменений формы тела воробьинообразных примерно за 45 миллионов лет.
Один из самых мощных всплесков эволюции произошёл около 35 миллионов лет назад. Он совпал с переходом между эоценом и олигоценом — периодом резкого глобального похолодания.
Около 15 миллионов лет назад модель, напротив, обнаружила целую серию замедлений эволюции, также совпавших с крупным геологическим событием.
По словам исследователей, получилась картина, при которой редкие, но значительные ускорения чередовались с множеством небольших замедлений. Вероятно, новые экологические возможности позволяли отдельным группам быстро осваивать незанятое пространство и изменяться, а затем доступные возможности постепенно исчерпывались.
Подобные всплески могли начинаться после появления новых условий обитания или переселения птиц на другой континент. Вначале темпы эволюции резко возрастали, но со временем снижались.
Учёные также сравнили скорость изменения формы тела с современным распространением птиц. Выяснилось, что географическое положение помогает предсказывать средние темпы эволюции.
В сообществах, живущих дальше от экватора, где сезонные перепады температуры выражены сильнее, чаще встречаются виды с более высокой скоростью изменений тела. Птицы из районов, расположенных ближе к экватору, в среднем эволюционировали медленнее.
Поскольку похожая связь проявилась и в истории протяжённостью миллионы лет, и в современном распределении птиц, исследователи предполагают, что изменчивость окружающей среды может быть важным двигателем эволюции формы тела.
Работа также показала ценность музейных коллекций. Искусственный интеллект позволяет извлекать из давно собранных образцов огромные объёмы информации, обработать которые вручную было бы крайне сложно.
По словам Уикса, подобное исследование невозможно провести на материалах одного коллекционера. Оно стало возможным только благодаря крупным собраниям, которые создавались на протяжении многих лет. Люди, когда-то собиравшие эти скелеты, вряд ли могли представить, что однажды их фотографии будет анализировать компьютер.
Авторы считают, что результаты могут помочь учёным размышлять и о реакции видов на нынешние быстрые климатические изменения.
Исследователи пока не знают, что произойдёт с природой даже через десять лет, не говоря уже о миллионах лет. Чтобы оценивать долгосрочные последствия человеческой деятельности, необходимо понимать, как прежние события в истории Земли были связаны с крупными эволюционными переходами.
