Идея, впервые предложенная 138 лет назад о том, что конечности произошли из жабр, которая была широко дискредитирована из-за отсутствия подтверждающих ископаемых свидетельств, может оказаться верной — и разгадка кроется в гене, названном в честь всеобщего любимого синего ежа.В отличие от других рыб, у хрящевых рыб, таких как акулы, скаты и скаты, есть ряд кожных лоскутов, которые защищают их жабры.
Эти лоскуты поддерживаются дугами хряща с прикрепленными к ним пальцеобразными придатками, называемыми жаберными лучами.В 1878 году влиятельный немецкий анатом Карл Гегенбаур представил теорию о том, что парные плавники и конечности произошли от структуры, напоминающей жаберные дуги хрящевых рыб.
Однако в летописи окаменелостей ничего не было обнаружено, чтобы подтвердить это.Теперь исследователи повторно исследовали идеи Гегенбаура, используя новейшие генетические методы на эмбрионах маленького ската — рыб из той самой группы, которая впервые вдохновила спорную теорию более века назад — и обнаружили поразительное сходство между генетическим механизмом, использованным в развитии. жаберных дуг и человеческих конечностей.Ученые говорят, что все сводится к критическому гену в развитии конечностей, названному «Соник-ежик», названному в честь персонажа видеоигры исследовательской группой из Гарвардской медицинской школы.
Новое исследование показывает, что функции гена Sonic hedgehog в развитии конечностей человека, определяющие идентичность каждого пальца и поддержание роста скелета конечности, отражаются в развитии жаберных лучей у эмбрионов скатов. Результаты опубликованы сегодня в журнале Development.
Доктор Эндрю Гиллис из отделения зоологии и морской биологической лаборатории Кембриджского университета, который руководил исследованием, говорит, что оно показывает, что некоторые аспекты теории Гегенбаура могут на самом деле быть правильными, и обеспечивает лучшее понимание происхождения челюстных позвоночных — группа животных, в которую входят люди.«Гегенбаур посмотрел на то, как эти жаберные лучи соединяются с жаберными дугами, и заметил, что это очень похоже на то, как плавник и скелет конечности соединяются с плечом», — говорит Гиллис. «Жаберные лучи простираются, как ряд пальцев, вниз по бокам акульей жаберной дуги».«Тот факт, что ген Sonic hedgehog выполняет те же две функции в развитии жаберных дуг и жаберных лучей у эмбрионов скатов, что и в развитии конечностей у эмбрионов млекопитающих, может помочь объяснить, как Гегенбаур пришел к своей спорной теории происхождения плавники и конечности ".
У эмбрионов млекопитающих ген Sonic hedgehog устанавливает ось конечности на ранних стадиях развития. «Например, в руке Sonic hedgehog сообщает конечности, какая сторона будет большим пальцем, а какая — мизинцем», — объясняет Гиллис. На более поздних стадиях развития Sonic hedgehog поддерживает рост, так что конечность вырастает до своего полного размера.Чтобы проверить, работает ли ген одинаковым образом у эмбрионов скатов, Гиллис и его коллеги подавляли Sonic hedgehog на разных этапах их развития.Они обнаружили, что если Sonic hedgehog был прерван на ранней стадии развития, жаберные лучи образовывались на изнаночной стороне жаберной дуги.
Если Sonic hedgehog был прерван позже в развитии, то образовывалось меньше жаберных лучей, но те, которые действительно росли, росли на правильной стороне жаберной дуги, показывая, что ген работает здесь удивительно похожим образом, как и в развитии конечностей.«В крайнем случае, эти эксперименты можно интерпретировать как доказательство того, что конечности имеют общую генетическую программу с жаберными дугами, потому что плавники и конечности эволюционировали в результате трансформации жаберной дуги у предковых позвоночных, как это было предложено Гегенбауром», — говорит Гиллис. «Однако также могло случиться так, что эти структуры развивались отдельно, но повторно использовали ту же ранее существовавшую генетическую программу. Без свидетельств окаменелостей это остается загадкой — в летописи окаменелостей есть пробел между видами без плавников. а затем внезапно вид с парными плавниками — так что мы пока не можем точно сказать, как развивались парные придатки ».«В любом случае это захватывающее открытие, потому что оно предоставляет доказательства фундаментальной эволюционной связи между жаберными лучами и конечностями», — говорит Гиллис. «Пока палеонтологи ищут окаменелости, чтобы попытаться восстановить эволюционную историю анатомии, мы эффективно пытаемся реконструировать эволюционную историю генетических программ, контролирующих развитие анатомии».Парные придатки, такие как руки и кисти у людей, являются одним из ключевых анатомических признаков, отличающих челюстных позвоночных от других групп. «Существует большой интерес к попыткам понять происхождение челюстных позвоночных и происхождение новых особенностей, таких как плавники и конечности», — говорит Гиллис.
«Мы узнаем, что многие новые функции, возможно, возникли не внезапно с нуля, а скорее в результате настройки и повторного использования относительно небольшого количества древних программ развития».Гиллис и его коллеги продолжают проверять теорию Гегенбаура, сравнивая функцию большего количества генов, участвующих в развитии необычных жабр и конечностей млекопитающих.«Предыдущие исследования не обнаружили убедительного генетического сходства между производными жаберной дуги и парными придатками, но эти исследования проводились на животных, таких как мыши и рыбки данио, у которых нет жаберных лучей», — говорит Гиллис.«Полезно изучать хрящевых рыб не только потому, что они были группой, которая впервые вдохновила теорию Гегенбаура, но также потому, что они обладают множеством уникальных особенностей, которых нет у других рыб — и мы обнаруживаем, что можем многому научиться. об эволюции этих уникальных черт ".«Многие исследователи смотрят на мутантных мышей или плодовых мушек, чтобы понять генетический контроль анатомии.
Наш подход заключается в изучении и сравнении различных анатомических форм, которые можно найти в природе, чтобы получить представление об эволюции тела позвоночных».Это исследование финансировалось Королевским обществом, Фондом Исаака Ньютона и получило награду от Лаборатории морской биологии.