Ученые поняли, как плавник стал лапой

Недавно группа испанских биологов выяснила, каким образом свыше 300 миллионов лет тому назад некоторые рыбы смогли обзавестись конечностями наземного типа, которые помогли им освоить сушу. Оказывается, для того чтобы плавник стал лапой, нужно было увеличить число копий одного из генов в ДНК. После этого стало возможным покинуть родной водоем.

Фото:

Одно из важнейших событий в эволюции позвоночных, которое произошло 370—365 миллионов лет тому назад — это выход наших дальних предков на сушу. Однако просто так древние потомки кистеперых рыб не смогли бы освоить наземные экосистемы — для этого были нужны соответствующие приспособления. Но таковые у них уже имелись — в частности, вместо плавников эти существа уже обзавелись многопалыми конечностями, которые в дальнейшем помогли им ходить по твердой поверхности.

О том, зачем они понадобились рыбам, до сих пор известно не особенно много. Традиционная точка зрения такова: эти существа обитали в пересыхающих водоемах, следовательно, им нужно было время от времени переползать из одного места обитания в другое. Однако недавно знаменитый палеонтолог профессор Грегори Реталлак из Орегонского университета (США) предположил, что механизм был иным.

Выдвинутая им гипотеза, построенная на материале, найденном на территории штатов Мэриленд, Нью-Йорк и Пенсильвания, гласит, что предки наземных позвоночных жили вовсе не в пересыхающих прудах, а в поймах рек, где им приходилось блуждать по пересеченной подводной местности. Действительно, судя по отложениям, там в изобилии встречались поваленные и растущие деревья, растительный мусор и переплетения корней. То есть, по мнению ученого, трансформация конечностей понадобилась, чтобы перемещаться по "захламленной" территории.

Впрочем, какие бы причины ни побудили этих рыб обзавестись конечностями наземного типа, интересно совсем другое — как это произошло? Ведь процессы формирования плавника и лапы в раннем эмбриональном развитии позвоночных существенно отличаются друг от друга. Более того, можно с уверенностью сказать, что один совсем не выводится из другого. Из этого следует, что для того, чтобы водная конечность превратилась в наземную, нужна была целая серия мутаций, причем в различных генах.

Читайте также: Машина времени для… водомерок

Первые успехи в разгадывании этой сложной загадки были достигнуты еще пять лет назад — в 2007 году международная команда исследователей под руководством канадского биолога Мари-Андре Акименко обнаружила неизвестное ранее семейство генов, необходимых для развития плавников у рыб и получивших название actinodin. Причем у позвоночных эти гены отсутствуют напрочь. Когда исследователи выяснили, зачем нужны оба этих гена (их назвали and1 и and2), то обнаружилось, что продуцируемые ими белки запускают формирование актинотрихий.

Этим словом называются тонкие белковые нити, придающие зачатку плавника форму и упругость. Далее в процессе формирования плавника происходит вотчто—вдоль актинотрихий внутрь плавниковой складки мигрируют клетки мезенхимы, из которых затем образуются лепидотрихии (прочные плавниковые лучи, которые могут окостеневать). Таким образом, водную конечность можно считать вполне завершенной.

Ну, а если выключить активность этих генов, то актинотрихии не появятся, что изменит процесс формирования плавника. Когда ученые провели этот опыт на эмбрионах известной аквариумной рыбки данио рерио (Danio rerio), вместо обычного плавника образовались какие-то плотные невнятные бугорки (этот эффект проявился лишь тогда, когда "замолчали" сразу оба гена). Более того, их "отключение" сразу же понизило активность целого каскада генов-регуляторов (fgf8a,erm и pea3), что в свою очередь изменило работу гомеобоксных генов (то есть тех, что контролируют раннее развитие) hoxd13a и shha. А вот это уже привело к тому, что зачатки плавников стали расширятся в переднем направлении и на них показались бугорочки, чем-то похожие на пальцы. Словом, перед учеными предстала типичная конечность наземного позвоночного на ранних стадиях формирования.

Итак, судя по всему, первой мутацией, которая привела к превращению плавников в лапы, стала потеря предками наземных позвоночных генов and1 и and2. Именно из-за нее становится невозможным формирование нормального плавника. Однако наземная конечность, как мы видели, тоже все-таки до конца сформироваться не может. Получается, была еще одна или несколько мутаций, которые и подарили сухопутным позвоночным настоящие лапы.

И вот на днях группа молекулярных биологов из Испании заявила, что им удалось найти эту мутацию. В своих экспериментах, которые также проводились на эмбрионах данио рерио, исследователи увеличили число копий вышеупомянутого гомеобоксного гена hoxd13a. В результате спустя сутки у тех эмбрионов, где эти дополнительные копии успешно встраивались в ДНК, на месте плавников начинали образовываться зачатки конечностей. Позже в них разрасталась ткань, которая впоследствии образовывала хрящ, а также формировались пальцы, весьма похожие на те, которыми обладали кистеперые рыбы древности.

Итак, судя по всему, наземные конечности появились у рыб в результате двух мутаций, которые произошли параллельно: были потеряны гены and1 и and2 и одновременно увеличилось количество копий hoxd13a. Кстати, у всех современных наземных позвоночных экземпляров последнего гена намного больше, чем у рыб, что дополнительно подтверждает справедливость данного предположения.

Ну, а те существа, у которых в итоге выросла столь странная для рыб лапа, сами решали, каким образом можно использовать этот подарок эволюции. Некоторые из них поняли, что у них есть шанс покинуть водную среду и освоить новые экосистемы. От них в конечном итоге и произошли мы с вами…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"