Если рыбьи гены контроля над развитием конечностей перенести в мышиный эмбрион, то у грызуна вырастут ноги, а не плавники. Это означает, что система контроля над развитием ног появилась до того, как эволюционные предки четвероногих животных сменили плавники на ходильные конечности.
Кому ногу, а кому плавник
Любой взрослый организм – это материализованное воплощение генетического кода. Но не вся информация подлежит огласке - некоторые гены остаются засекреченными навсегда. Если же они дают о себе знать, то появляется уродство. Впрочем, гены не самостоятельно принимают решение о «разглашении» закодированной информации. Этими процессами управляют особые последовательности – регуляторные гены. Они-то и «включают-выключают» смысловые последовательности, заставляя клетки изменять биохимию внутренних процессов и, как следствие, менять цвет глаз, отращивать эмбриону конечности и удалять между пальцами перепонки.
Эмбриональное развитие всех позвоночных животных, от рыб до человека, на начальных стадиях очень похоже. Сперва появляются почки конечностей – простое разрастание эктодермы, заполненное мезодермальными клетками. В них нет ничего – ни костей, ни сухожилий, ни мышц, ни кровеносной системы. Некоторое время почки – эдакие «цветочные бутоны» -- формируют «начинку» будущих конечностей, потом они набирают силы и «распускаются». Правда, из одинаковых и очень похожих «бутонов» появляются совершенно разные «цветочки» -- у рыб формируются плавники, а у наземных позвоночных ходильные конечности.
Арктическая рыба-крокодил
В 2004 году на территории арктической Канады в отложениях позднего девона (около 380 млн лет назад) южной части острова Элсмир американские палеонтологи под руководством Нейл Шабин (Neil Shubin) из Университета Чикаго (University of Chicago) откопали удивительную рыбу с крокодильей головой (сверху два глаза, впереди две ноздри и большая зубастая пасть). Ученые дали доисторической рыбе имя - тиктаалик (Tiktaalik), что на языке местных эскимосов означает «большая пресноводная рыба, обитающая на мелководье».
Находка интересна с эволюционной точки зрения. Часть анатомических черт тиктаалика сходна с чертами древних кистеперых рыб, а другие признаки роднят ее с первыми четвероногими животными -- тетраподами. Рыбьи признаки — это чешуя, плавниковые лучи, сложная нижняя челюсть и небные кости. К «четвероногим» признакам относится укороченный череп, локтевой и плечевой суставы, мобильная голова, отделенная от пояса передних конечностей. «Плавники тиктаалика похожи на руки и снабжены запястьем. То есть, имеют анатомические структуры, которые могут быть связующим звеном между плавником и настоящей конечностью», -- пишут авторы нового исследования, объясняя, что находка американских палеонтологов и есть основной вдохновитель эмбрионально-генетических экспериментов с конечностями.
Лапы, ноги и плавники
Игорь Шнейдер (Igor Schneider) и его коллеги из Университета Чикаго (University of Chicago) сравнили регуляторные последовательности CsB летающих, плавающих, ходящих и прыгающих представителей животного мира. «CsB – это генетический регулятор, который управляет развитием конечностей у человека, мышей, кур, лягушек, скатов и рыбок Данио рерио, -- объясняют исследователи. – У человека и этих групп животных есть общий предок – канадская доисторическая рыба».
Сравнив CsB, биологи выяснили, что у человека, мышей, птиц, лягушек и рыб генетические регуляторные системы CsB абсолютно одинаковы.
Ученые пошли дальше и решили посмотреть, что произойдет с конечностями животного, если в его генетическую программу включить чужой регулятор. Оказалось, что рыбий CsB включает у мышей программу формирования запястья и пальцев, а не плавников. А мышиный регулятор активизировал у рыб развитие плавников, а не лап. Получается, что формированием плавников и ног управляет один и тоже регулятор, который сохранился у разных классов животных, несмотря на то, что их эволюционные пути разошлись еще 400 миллионов лет назад.
«Ранее предполагалось, что у тетраподов появилась совершенно новая система контроля над генетическим материалом. Но результаты нашего исследования говорят о том, что система контроля над конечностями появилась задолго до появления самих тетраподов», -- пишут исследователи.
В ближайшее время ученые попытаются разобраться с тем, как работают гены регуляторной системы, и постараются найти различия, благодаря которым один и тот же регулятор запускает программу развития либо плавников, либо ног. «Едва заметные изменения во времени, локализации или продолжительности экспрессии того или иного гена могут быть источником колоссальных анатомических изменений, которые в свое время позволили животным освоить сушу», -- завершают авторы исследования, обращая внимания, что у палеонтологических находок появляется генетическое подспорье.
С подробносятями эксперимента можно ознакомиться в статье, опубликованной в PNAS.
