Экспериментальное обращение эволюции: получение у птиц динозавроподобной нижней конечности

При разделке курицы можно заметить длинную шилообразную кость в голени — это малоберцовая кость (фибула), одна из двух длинных костей нижней конечности. У динозавров, предков птиц, эта кость была трубчатой и доходила до голеностопа. В процессе эволюции от динозавров к птицам она потеряла нижний конец, перестала соединяться с голеностопом и стала короче большеберцовой кости (тибии). Учёные давно заметили, что у эмбрионов птиц сначала развивается трубчатая, динозавроподобная фибула, которая позже укорачивается и приобретает взрослую шилообразную форму.

Исследователь Жоао Ботелью из лаборатории Александра Варгаса (Университет Чили) изучил механизмы этой трансформации. При нормальном развитии кости её средняя часть (диафиз) созревает и прекращает рост (деление клеток) гораздо раньше, чем концы. Ботелью обнаружил, что молекулярные механизмы созревания активируются очень рано на нижнем конце фибулы, останавливая деление клеток и рост. Ингибирование гена созревания Indian Hedgehog привело к появлению цыплят с трубчатой фибулой, которая была такой же длины, как тибия, и соединялась с голеностопом, как у динозавров.

Ботелью и коллеги полагают, что раннее созревание нижнего конца фибулы происходит из-за влияния соседней кости голеностопа — пяточной кости (кальканеума). У эмбрионов птиц, в отличие от других животных, кальканеум прижимается к нижнему концу фибулы — они так близки, что некоторые исследователи принимали их за единый элемент. Ботелью предполагает, что на этой стадии нижний конец фибулы получает сигналы, больше похожие на сигналы в диафизе кости. При нормальном развитии кальканеум затем отделяется от фибулы, но её дистальный конец уже запрограммирован на развитие по типу диафиза и созревает рано. У экспериментальных цыплят с динозавроподобными конечностями кальканеум оставался прикреплённым к фибуле. Ботелью также подтвердил, что кальканеум сильно экспрессирует ген PthrP, который позволяет расти концам костей.

Другое интересное наблюдение: у экспериментальных цыплят большеберцовая кость (тибия) была значительно короче. Это говорит о том, что динозавроподобная фибула, соединённая с голеностопом, не даёт тибии обогнать её в росте, как это происходит обычно. Совместно с Цзинмай О'Коннор (IVPP, Китай) исследовательская группа пришла к выводу, что это согласуется с эволюционной моделью, задокументированной палеонтологической летописью. Самые ранние формы с редуцированной фибулой — зубастые птицы раннего мелового периода, жившие рядом с динозаврами. У них были шилообразные фибулы, не соединённые с голеностопом, но почти такие же длинные, как тибия. В эволюции фибула сначала потеряла нижний конец. Возможно, это позволило впоследствии развиться тибиям, которые стали значительно длиннее фибулы.

Результаты исследования опубликованы на этой неделе в журнале Evolution. Это второй случай, когда Ботелью экспериментально обратил эволюцию и получил у птиц динозавроподобный признак. Ранее ему удалось отменить эволюцию цепкого пальца птиц, получив не скрученный, не противопоставленный палец, как у динозавров. Другая лаборатория в Йеле получила динозавроподобную морду, изменив экспрессию генов у эмбрионов цыплят. Однако эти исследования не направлены на коммерческое или ненаучное создание динозавров, как в серии Парк Юрского периода.

«Эксперименты сосредоточены на отдельных признаках для проверки конкретных гипотез, — говорит Варгас. — Мы много знаем не только о развитии птиц, но и о переходе от динозавров к птицам, который хорошо документирован палеонтологической летописью. Это естественным образом приводит к гипотезам об эволюции развития, которые можно исследовать в лаборатории».