Как у позвоночных впервые появились челюсти?
Пятьсот миллионов лет назад возвращение в воду было относительно безопасным, потому что у обитателей глубин ещё не было челюстей. В двух новых статьях в журналах eLife и Development учёные раскрывают ключи к пониманию происхождения этого важнейшего эволюционного новшества у позвоночных.
В исследованиях, проведённых Мати Тхируппати из лаборатории Гейджа Крампа в Университете Южной Калифорнии (USC) и её коллегой Дж. Эндрю Гиллисом из Кембриджского университета и Морской биологической лаборатории, использовался подход «эво-дево»: изучение эмбрионального развития для понимания эволюции.
У рыб челюсти и жабры имеют общее эмбриональное происхождение. В процессе развития и те, и другие формируются из зародышевых структур — «глоточных дуг». Первая дуга называется нижнечелюстной (мандибулярной), так как даёт начало челюстям, а последующие дуги развиваются в жабры. Есть и анатомическое сходство: жабры поддерживаются верхними и нижними костями, что можно считать аналогом верхней и нижней челюстей.
«Эти наблюдения за развитием и анатомией привели к теории, что челюсть эволюционировала путём модификации предковой жаберной дуги», — говорит Тхируппати, первый автор статьи в eLife.
В отсутствие чётких палеонтологических данных, публикация в eLife представляет «живые» доказательства в поддержку этой теории. Практически у всех рыб есть крошечная анатомическая структура — псевдожабра, напоминающая рудиментарную жабру, но её эмбриональное происхождение было неясно.
С помощью современных методов визуализации и отслеживания клеток у zebrafish (данио-рерио) исследователи окончательно показали, что псевдожабра происходит из той же самой мандибулярной дуги, что и челюсть. Затем они продемонстрировали, что многие одни и те же гены и регуляторные механизмы управляют развитием как псевдожабры, так и настоящих жабр.
В связанном исследовании, опубликованном в Development, Гиллис и его коллега Кристин Хиршбергер показали, что у скатов (skates), представляющих класс хрящевых рыб, также есть псевдожабра, происходящая из мандибулярной дуги и имеющая генетическое и эмбриональное сходство с жаброй. Это важно, так как данио-рерио — костные рыбы, а скаты — совершенно другой эволюционный класс челюстных позвоночных.
«Наши исследования показывают, что мандибулярная дуга содержит базовый механизм для создания жабероподобной структуры, — говорит Крамп, автор-корреспондент статьи в eLife. — Это означает, что структуры, возникающие из мандибулярной дуги — псевдожабра и челюсть — могли начаться как модифицированные жабры в ходе глубокой эволюции».
«Вместе эти два исследования указывают на то, что псевдожабра присутствовала у последнего общего предка всех челюстных позвоночных, — добавляет Гиллис. — Они предоставляют новые убедительные доказательства классической теории о том, что челюсть произошла от жабероподобной структуры».