Эволюция тушканчиков проливает свет на развитие конечностей
Тушканчики — пустынные грызуны с крошечными передними и длинными задними конечностями и стопами. Их необычные пропорции делают их похожими на миниатюрный гибрид кенгуру и мыши.
В статье, опубликованной в журнале Current Biology, подробно описано, как 33 вида этих грызунов из Северной Африки и Азии эволюционировали за последние 50 миллионов лет от пятипалого четвероногого предка, общего с современной мышью, до трехпалого двуногого тушканчика.
Исследование, посвященное тому, как естественный отбор изменил структуру и биомеханику конечностей тушканчика, — это не просто детальная картина эволюции. Оно также закладывает основу для понимания процессов, контролирующих развитие конечностей и ремоделирование костей, что важно для поиска новых способов лечения остеопороза и аномалий развития конечностей у человека.
Окно в механизмы роста
«Когда у человеческого эмбриона начинают формироваться плечевая, лучевая, локтевая кости и пальцы, они изначально имеют одинаковый размер. Но скорость роста каждой из этих костей меняется в процессе развития», — объясняет Кимберли Купер, доцент биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего. — «Тушканчик, у которого сформировались кардинально иные пропорции скелета по сравнению с мышью, дал нам окно для понимания этих механизмов».
Ученые полагают, что тушканчики эволюционировали, когда 50 миллионов лет назад Тибетское нагорье стало более засушливым. Это сократило растительность — естественные укрытия для мелких грызунов — и заставило их преодолевать большие расстояния в поисках пищи.
Биомеханические преимущества
«Одно из преимуществ тушканчиков в том, что они могут легко избегать хищников и преодолевать большие расстояния благодаря бипедальности», — говорит Купер. — «Они способны прыгать на 6 футов в длину и на 3 фута в высоту».
Удлинение задних конечностей, уменьшение мышечной массы и количества пальцев на стопах, а также сращение длинных костей задних лап сделали тушканчиков более механически эффективными бегунами. Меньшая масса на конце ног позволила им преодолевать большие расстояния по пустыне.
«Эволюция лошадей — отличное сравнение», — объясняет Купер. — «У лошади пальцы редуцировались, мышцы стопы уменьшились, а конечности удлинились. Все это повысило механическое преимущество при передвижении. То же самое произошло и с тушканчиками».
Независимые эволюционные процессы
Чтобы понять, как эволюция и биология развития совместно увеличили пропорции задних конечностей, уменьшили количество пальцев и срастили кости стопы, международная команда ученых в течение семи лет детально изучала анатомию скелета 33 видов тушканчиков и сравнивала их с четвероногими мышами.
«Мы обнаружили огромное разнообразие пропорций конечностей между видами», — говорит Купер. — «Мы выяснили, что многие процессы работали независимо. Например, у видов с более длинными задними конечностями не обязательно более длинные стопы».
«Мы обнаружили, что эволюция контролирует размер отдельных костей. Это огромное открытие, потому что оно говорит о том, что гены, контролирующие рост всех различных костей в нашем теле, должны регулироваться очень сложными способами».
Перспективы для медицины
Поиск этих генетических регуляторных факторов, которым Купер надеется заняться в будущем, может помочь в разработке способов коррекции асимметрии роста при развитии конечностей у человека. Текущий метод — дистракционный остеогенез (перелом и растяжение кости) — сложная и дорогая операция.
«Если бы мы могли определить локальные факторы роста и доставлять их с помощью насоса непосредственно в зону роста, у нас был бы более точный и менее инвазивный способ коррекции пропорций конечностей у детей», — считает Купер.
Ученые также планируют детально изучить клеточные процессы, благодаря которым параллельные кости срастаются в стопе тушканчика. В этом участвуют два типа клеток: остеокласты, которые разрушают кость, и остеобласты, которые образуют новую костную ткань.
«Этот процесс происходит у всех нас, а остеопороз — это дисбаланс: активность остеобластов снижена, а остеокластов повышена», — объясняет Купер. — «У молодого тушканчика эти два типа клеток географически разделены: кость образуется в одном месте и разрушается в другом».
Понимание того, как эти два типа клеток общаются друг с другом для регуляции этого процесса в разных местах, может дать полезные сведения для лечения остеопороза.
«Если мы сможем лучше понять коммуникацию этих двух типов клеток, мы сможем оказать серьезное влияние на лечение остеопороза», — заключает она.