Генетические основы конечностей и лёгких появились у рыб за 50 миллионов лет до выхода на сушу
Традиционно считалось, что лёгкие и конечности — ключевые инновации, возникшие при переходе позвоночных из воды на сушу. Однако новое исследование показывает, что генетическая основа для воздушного дыхания и движения конечностями уже была заложена у наших рыбьих предков на 50 миллионов лет раньше. К такому выводу пришли учёные из Копенгагенского университета и их партнёры, составив карту генома примитивных рыб. Исследование меняет представление о ключевом этапе нашей эволюционной истории.
Согласно общепринятому мнению, некоторые рыбы вышли на сушу около 370 миллионов лет назад, превратившись в примитивных, похожих на ящериц животных — тетрапод. Считалось, что для этого они преобразовали плавники в конечности и перешли от дыхания под водой к дыханию воздухом.
Новые данные свидетельствуют, что наш общий предок рыб, живший за 50 миллионов лет до появления первых тетрапод на суше, уже обладал генетическими кодами для конечностеподобных форм и воздушного дыхания. Эти коды до сих пор присутствуют у людей и у группы примитивных рыб.
Исследование, опубликованное в журнале Cell, предполагает, что эволюция этих древних генетических кодов могла способствовать переходу позвоночных из воды на сушу, что меняет традиционный взгляд на последовательность и временные рамки этого скачка.
«Ключ к пониманию того, как произошёл этот переход, — выяснить, когда и как развились лёгкие и конечности. Мы можем продемонстрировать, что генетическая основа, лежащая в основе этих биологических функций, возникла гораздо раньше, чем первые животные вышли на берег», — заявил профессор и ведущий автор Гоцзе Чжан из Центра геномики биоразнообразия «Виллум» Копенгагенского университета.
Ключ к разгадке — древние рыбы
Группа древних живых рыб, включая бишира (многопёра), обитающего на мелководье в Африке, может объяснить, как у тетрапод развились конечности и способность дышать воздухом. Эти рыбы отличаются от большинства других современных костистых рыб чертами, которые могли быть у наших ранних предков более 420 миллионов лет назад. Геномное секвенирование показало, что гены, необходимые для развития лёгких и конечностей, уже присутствуют у этих примитивных видов.
Наш синовиальный сустав эволюционировал от рыбьего предка
Бишир может передвигаться по суше с помощью грудных плавников, функция которых аналогична конечностям. Новая геномная карта показывает, что сустав, соединяющий так называемую кость метаптеригиума с лучевыми костями в грудном плавнике бишира, гомологичен синовиальным суставам у человека (соединяющим кости плеча и предплечья).
«Эта генетическая последовательность, контролирующая формирование наших синовиальных суставов, уже существовала у общих предков костистых рыб и до сих пор присутствует у этих примитивных рыб и у наземных позвоночных. В какой-то момент эта последовательность и синовиальный сустав были утрачены у всех обычных костистых рыб — так называемых телеостов», — говорит Гоцзе Чжан.
Сначала лёгкие, потом плавательный пузырь
Бишир и некоторые другие примитивные рыбы имеют пару лёгких, анатомически похожих на наши. Исследование показывает, что лёгкие как у бишира, так и у панцирной щуки (аллигаторовой гар) функционируют сходным образом и экспрессируют тот же набор генов, что и человеческие лёгкие.
Исследование также подтверждает, что ткань лёгкого и плавательного пузыря большинства современных рыб очень похожа по экспрессии генов, что делает их гомологичными органами, как и предсказывал Дарвин. Однако если Дарвин предполагал, что плавательные пузыри преобразовались в лёгкие, то новое исследование указывает на более вероятный обратный сценарий: плавательные пузыри эволюционировали из лёгких.
Учёные предполагают, что у наших ранних предков костистых рыб были примитивные функциональные лёгкие. В ходе эволюции одна ветвь рыб сохранила функции лёгких, более приспособленные к дыханию воздухом, что в конечном итоге привело к появлению тетрапод. Другая ветвь модифицировала структуру лёгкого и развила плавательные пузыри, что привело к эволюции телеостов. Плавательные пузыри позволяют этим рыбам сохранять плавучесть и воспринимать давление, что помогает выживать под водой.
«Исследование проливает свет на то, откуда взялись органы нашего тела и как их функции закодированы в геноме. Некоторые функции, связанные с лёгкими и конечностями, развились не в момент перехода из воды на сушу, а закодированы древними механизмами генной регуляции, которые уже присутствовали у нашего рыбьего предка задолго до выхода на сушу. Примечательно, что эти генетические коды до сих пор присутствуют у этих «живых ископаемых» рыб, что даёт нам возможность проследить корни этих генов», — заключает Гоцзе Чжан.