Носы млекопитающих произошли от челюстей рептилий: эволюция лицевых костей

Новое исследование скелетов и эмбрионов животных позволило установить, как у млекопитающих развился выступающий гибкий нос. Это открытие помогает понять происхождение острого обоняния млекопитающих и создаёт потенциал для использования новых модельных животных (например, кур или лягушек) в исследованиях нарушений развития лица, таких как волчья пасть.

Традиционно считалось, что челюсти млекопитающих и рептилий развиваются почти одинаково, несмотря на уникальный нос млекопитающих.

«Существующие окаменелости четвероногих животных, как предков рептилий, так и млекопитающих, имеют одинаковое количество костей верхней челюсти. Легко предположить, что это одни и те же кости, но теперь мы можем изучать эмбрионы и отслеживать клеточное развитие, чтобы исследовать эти кости гораздо детальнее», — пояснил постдокторант Хироки Хигасияма из Университета Токио.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые изучило эволюцию лицевой структуры с помощью клеточных исследований, сравнивая эмбрионы нескольких видов.

Клеточные эксперименты

Учёные отслеживали развитие лица у эмбрионов птиц (цыплят), рептилий (гекконов) и млекопитающих (мышей), фокусируясь на группе клеток — лицевых выступах, которые формируют физические структуры лица. Оказалось, что группа клеток, называемая фронтоназальным выступом, формирует кончик челюсти у рептилий, но становится выступающим носом у млекопитающих. Кончик челюсти млекопитающих формируется из другой группы клеток — верхнечелюстного выступа.

Изучение окаменелостей и переходных форм

С этой новой точки зрения исследователи изучили ископаемые образцы. По мере накопления физических и генетических различий у предков видов кость на кончике верхней челюсти рептилий, предчелюстная кость (premaxilla), становилась меньше и смещалась вверх. Кость позади неё, септомаксилла (septomaxilla), увеличивалась и выдвигалась вперёд, становясь кончиком челюсти у млекопитающих. Лицевые кости яйцекладущих млекопитающих, таких как утконос и ехидна, служат живыми примерами таких переходных костных структур.

Эволюционные последствия

Это разделение носа и челюсти дало млекопитающим уникальную способность «принюхиваться» — использовать мышцы для расширения ноздрей и глубокого вдоха. Это стало ключевым новшеством в эволюции подвижного носа, которое способствовало развитию высокочувствительного обоняния. Различение множества запахов, возможно, также помогло млекопитающим развить более крупный и сложный мозг по сравнению с предками.

Практическое применение

Исследование предоставило физические доказательства эволюционного сдвига в расположении premaxilla и septomaxilla, но для выявления генетических причин потребуются отдельные исследования.

«Теперь, зная состав лицевых выступов и эмбриональное развитие у нескольких видов, мы можем сравнивать нарушения развития лица у цыплят или лягушек с человеческими. Пока мы в основном просто улучшили учебник, но в будущем эти модели животных станут практическим применением наших исследований», — сказал Хигасияма.

Мыши в настоящее время являются единственной моделью для изучения заячьей губы и волчьей пасти. Их содержание дорого, а развитие медленнее, поэтому дополнительные модели животных для изучения нарушений развития лица могут стать ценным инструментом исследований.