Эволюционная биология развития: как эмбрионы раскрывают тайны эволюции

Эволюционная биология развития (evo-devo) изучает, как взаимодействие генов, клеток, тканей и среды в ходе эмбрионального развития приводит к эволюционным изменениям на протяжении поколений — например, превращению плавника рыбы в конечность позвоночного.

Эндрю Гиллис, присоединяющийся к MBL, описывает evo-devo как сравнительную биологию развития: «Вы сравниваете, как развиваются разные животные, чтобы понять, как изменения в развитии привели к изменениям взрослой формы».

Изучение древних признаков

Лаборатория Гиллиса фокусируется на ранних событиях эволюции позвоночных, таких как происхождение плавников, жабр и челюстей. Изучая разнообразных позвоночных с разных ветвей эволюционного дерева, учёные могут определить, какие признаки были у древнейших предков.

Волны развития evo-devo

Интерес к области возрождался с появлением новых технологий:

• Конец XIX века: гистология и микроскопия срезов эмбрионов.
• Позже: развитие молекулярной биологии и изучение экспрессии генов.
• В последние годы: прогресс в редактировании и секвенировании геномов, новые методы микроскопии.

Несмотря на долгую историю, многие фундаментальные вопросы остаются без ответа.

Малоизученный организм в центре внимания

Наряду с классическими модельными организмами (мыши, курицы, рыбки данио, лягушки) evo-devo исследует таких животных, как малый скат (Leucoraja erinacea). Ранее скаты помогали изучать эволюцию плавников в конечности в лаборатории Нила Шубина. Гиллис, бывший аспирант Шубина, нашёл новое применение скату для понимания развития челюсти.

Псевдожабра — ключ к происхождению челюсти

Гиллис и его бывшая студентка Кристин Хиршбергер опубликовали в Development работу, где обнаружили у ската небольшую структуру в задней части челюсти — псевдожабру. Она:

• Внешне и по строению напоминает жабру.
• Имеет общие с жабрами типы клеток и особенности экспрессии генов.

Это указывает, что челюсть, вероятно, эволюционировала из тех же структур, что и жабры.

Подтверждение генетическими инструментами

Параллельное исследование на рыбках данио, проведённое Мати Тхируппати, использовало мутантных рыб без жабр. Оно показало, что ген, критически важный для развития жабр, также необходим для правильного формирования псевдожабры, что дополнительно подтверждает их эволюционную связь.

«Я думаю, что недавние достижения в одноклеточных технологиях и геномике станут важной частью этого подхода», — отмечает Тхируппати.

Следующие шаги

Эти работы, вместе с более ранними данными о генетическом сходстве структур челюстей и жабр, убедительно свидетельствуют: челюсть эволюционировала путём модификации древней жаберной структуры.

Следующим шагом, по словам Гиллиса, станет поиск окаменелостей бесчелюстных позвоночных и оценка наличия у них жабр или жабероподобных структур — возможных предшественников челюстей. Хотя эту задачу будут решать палеонтологи, перед исследователями evo-devo по-прежнему остаётся множество захватывающих вопросов.