От перки до крайници – еволюцията в действие

За да помогне на своите читатели да разбера еволюцията, Чарлз Дарвин ги е помолил да разгледат ръцете си.

„Какво по-любопитно от ръцете на хората, които са формирани, за да захващат; крайниците на къртиците, с които копаят; краката на конете; плавниците на делфините и крилете на прилепите – всички  би трябва да са възникнали по еднакъв модел и включват подобни кости в идентични позиции?“ – част от реч на Дарвин.

Обяснението на известния учен е, че хората, къртиците, конете, делфините и прилепите споделят общ предшественик (те са хомолози), който е имал крайници с обособени образувания приличащи на пръсти. Неговите наследници са еволюирали и развили различни крайници за различни цели. Но никога не са загубили анатомичните прилики, които доказват родството.

Като викториански натуралист, Дарвин е бил ограничен до прилики, които е могъл да открие. Най-сложният инструмент, с който е разполагал, за да осъществи тази задача, е обикновен, първичен микроскоп. Днес учените имат модерни и много мощни инструменти. С тяхна помощ разкриват прилики, които са били пропускане до този момент.

В сряда екип от изследователи от University of Chicago докладват (1), че ръцете ни споделят дълбока еволюционна връзка не само с крилата на прилепите или копитата на конете, но и с перките на рибите.

Неочакваното откритие ще помогне на учените да разберат как нашите предшественици са напуснали водата, трансформирали са перките в крайници, които използват, за да се предвижват.

За повечето хора (и най-вече креационисти) няма много подобие между човешката ръка и перките на златната рибка. Ръцете ни имат кости, които са развити от хрущяли, които съдържат кръвоносни съдове. Този тип тъкан се нарича ендохондрална кост.

Златната рибка изгражда малък клъстер от ендохондрални кости в основата на перката. Останалата част се състои от тънки лъчи, които са изградени изцяло от различен вид тъкан, която е наречена дермална кост. Тя не започва като хрущял и не съдържа кръвоносни съдове.

Тази разлика дълго озадачаваше учените. Фосилите показват, че споделяме общ воден предшественик  с риба с подобни лъчисти перки преди около 430 милиона години. Същества с 4 крайника и гръбнак – тетраподи – са еволюирали преди 360 милиона години и са колонизирали сушата.

Над 2 десетилетия учените са изследвали тази транзиция по два радикално различни начина.

Tiktaalik

От една страна са изровили фосили, които датират от времето на тази транзиция от водата към сушата. Откритията им включват риба на 370 милиона години, която се нарича Tiktaalik. Тя е имала развити ендохондрални кости, които отговарят на тези в нашите ръце – започващи от рамената ни с хумеруса, след това радиус, улна и костите на китката. Но не е имала пръсти и все още е имала лъчисти образувания.

Освен това са  учените са сравнявали ембрионалното развитие на различни тетраподи – мишки и други.

Ембрионите започват ембрионалното си развитие по много подобен начин – имат глави, опашки и не много между тези две части. По-късно се появяват две двойки пъпкуване. При рибите от тези пъпки се образуват перки, а при тетраподите крайници.

През последните десетилетия изследователите са открили някои от гените, които участват в това развитие. През 1996 година  екип французи откриват гени, които имат основна роля при развитието на крака при мишки.

Когато са изключили два гена (заглушена експресия), наречени Hoxa-13 и Hoxd-13, мишките са развили нормални дълги кости в краката си, но кости на  китката и глезените не са се появили, не са имали и пръсти.

Това означава, че тези два гена детерминират образуването на споменатите кости по време на ембрионалното развитие.

През 1990 година все още никой не е знаел как да заглуши експресията на гени в ембриони на риби. Но това се промени през последните години с появата на техника наречена Crispr. Вече може да се редактира всеки ген във всеки вид.

През 2013 година постдокторант използва Crispr, за да манипулира рибени ембриони.  Той вмъква малки секвенции в гените Hoxa-13 и Hoxd-13, за да не може те да експресират работещи протеини.

Индивидите с дефектни копия на въпросните гени порастват, но с деформирани перки. Става ясно, че те не са могли да развият тези лъчисти образувания. Благодарение на експеримента става ясно, че Нох гените контролират клетки, които се преобразуват в дермални кости, а не ендохондраллни.

В паралелен експеримент на друг екип учени успешно са манипулирани ембриони, за да могат да се наблюдават отделни клетки по време на ембриогенезата.

Клетките, които експресират Hox гените започват да флуорецират. Hox протеините се експресират от клъстер от клетки по време на развитието на перките. Когато са били напълно развити, лъчистите образувания са започнали да илюминират.

Трябва да се разбере, че развитието на крайници и перки следва идентични правила. И в двата случая Hox гените заповядват на клъстер от ембрионални клетки, че трябва да се озоват в края на образуващия се придатък и то в определен маниер.

1)      http://www.nature.com/articles/nature19322.epdf?referrer_access_token=hQoeMnlgksTB3MCKlF3OqNRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0MBX_Etw06vLeIy1Ehf1ue9zGZ7xDNPJeFWSjEbLWgKUL7VRcvGsqVpeRmjCmDq7ESznPGflyEn3X3lELPAO0UIxtnZJwfZkRuQIok3Bo-WZGG4devXof0ajJofuYA8EK_tftzN5Tm8NCOV8kqunupgXRXdUo_93_qlE0IMxW6czQUTmeli83nFjV-3s264sLX1I0YdYzEFrDbUod1af7lT7xpqlMFJbRe-Up-ia_m7ybR9fS9Gac9BElUt9uMnvCs%3D&tracking_referrer=www.nytimes.com

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!