Измерение «талии» эволюции

Немецкий биолог Эрнст Геккель почти 150 лет назад выдвинул смелое утверждение: «онтогенез есть краткое и быстрое повторение филогенеза». Иными словами, морфологические изменения, происходящие в эмбриональном развитии организма, отражают его эволюционную историю.

Хотя эта концепция давно опровергнута, она дала полезные отправные точки для размышлений над нерешенным вопросом о том, как эволюционировал сам процесс развития. Наоки Ири из Центра биологии развития RIKEN в Кобе размышляет над этой проблемой со времен аспирантуры: «Мой главный интерес тогда и сейчас — понять основные или общие правила того, как развиваются тела животных».

В качестве постдока в лаборатории Шигеру Куратани в CDB Ири провел масштабный сравнительный анализ четырех видов позвоночных, чтобы разрешить продолжающиеся дебаты между двумя преобладающими эволюционными моделями.

• «Воронкообразная» модель, отчасти основанная на идеях Геккеля, предполагает, что процесс эмбрионального развития позвоночных очень схож на самых ранних стадиях, но все больше различается на поздних.
• «Модель песочных часов» предполагает, что самые ранние и поздние стадии развития значительно различаются, тогда как наибольшее сходство наблюдается на промежуточных стадиях, где происходит развитие органов и формирование плана тела.

Чтобы разрешить эти дебаты в области эво-дево, Ири и Куратани проанализировали изменения уровней экспрессии тысяч эволюционно консервативных генов на разных стадиях развития у мыши, курицы, лягушки и рыбки данио. Данные убедительно поддержали модель песочных часов: уровни транскрипции генов были наиболее схожи на промежуточной стадии, известной как «фарингула», когда у животного развиваются примитивные зачатки сердца, почек, мозга и других тканей. Особенно сильную консервацию активности они наблюдали у генов Hox, которые участвуют в развитии конечностей, а также у нескольких генов факторов роста.

Эти выводы подливают масла в огонь дебатов, но и поднимают сложные вопросы. «Для меня загадка, как эмбрионы позвоночных установили различия на ранних стадиях развития, сохранив при этом средние эмбриональные стадии, — говорит Ири. — Очевидно, что более поздние стадии развития не будут существовать, если более ранние стадии не пройдут успешно».

Теперь Ири надеется получить дальнейшее подтверждение модели песочных часов, расширив свой подход и включив в анализ хорошо изученные виды беспозвоночных, такие как плодовая мушка. Он также намерен глубже изучить механизмы развития: «Мы хотели бы спуститься на уровень тканей и зачатков органов, чтобы выяснить, какие структуры сохранялись в ходе эволюции».