Использование плаценты для понимания эволюции сложных органов

Несмотря на внешние различия, все позвоночные имеют один и тот же консервативный набор органов: сердце, печень, мозг, почки и другие. Каждый из этих органов выполняет специализированные функции.

Изучить происхождение и эволюцию этих органов сложно из-за их древности. Они должны были сформироваться более 500 миллионов лет назад, до появления первых позвоночных. Некоторые органы, например нервная система, появились ещё раньше — возможно, до последнего общего предка всех животных, более 600 миллионов лет назад.

Чтобы понять, как возникают новые органы, мы с коллегой сосредоточились на более молодом органе — плаценте. Это сложный орган, который независимо эволюционировал множество раз. В современном мире существуют виды без плаценты, с комплексной плацентой и множество промежуточных форм. Исследуя её эволюцию, мы с Гюнтером Вагнером выявили несколько процессов, которые, по-видимому, лежат в основе эволюции всех новых органов.

Функция плаценты

У живородящих животных плацента — это орган в теле беременной матери, который снабжает развивающийся эмбрион необходимыми ресурсами. Состоящая из тканей родителя и эмбриона, она обеспечивает обмен питательными веществами и газами.

Первые позвоночные, включая ранних млекопитающих, откладывали яйца и не имели плаценты. Но у предка сумчатых и плацентарных (эутериан) млекопитающих самки эволюционировали, чтобы удерживать яйца в матке до полного развития эмбриона. Для этого потребовалась плацента, чтобы снабжать эмбрион кислородом и питательными веществами и удалять углекислый газ и другие отходы.

Плацентарные структуры для поддержки беременности независимо эволюционировали у большинства живородящих организмов — более 100 раз в животном мире. Этот процесс не произошёл мгновенно, а строился на простых изменениях, накапливавшихся со временем через последовательные изменения в ДНК вида.

Новые функции и структуры для старых тканей

Плаценты эволюционировали разными путями, но всегда путём перепрофилирования существующих тканей.

• У ящериц и змей (живорождение эволюционировало в этой группе более 100 раз) плацента формируется из матки и эмбриональных оболочек, которые у предков выстилали внутреннюю поверхность яичной скорлупы. Так же это работает и у млекопитающих.
• У гуппи яйца оплодотворяются и развиваются в яичнике, а плацента формируется из тканей яичников.
• У морских коньков самец развивает выводковую сумку на брюхе, куда откладываются яйца. Плацента возникает из тканей кожи живота отца.
• У сумчатой лягушки сумка развивается на спине самки, а плацента формируется из выростов этой кожи спины.

Во всех этих случаях плацента образуется, когда эмбриональные ткани вступают в контакт с родительской тканью во время развития.

Иногда в рамках этих старых тканей эволюционируют и совершенно новые биологические структуры (например, выводковая сумка морских коньков) или новые специализированные типы клеток для выполнения новых функций.

Когда ткани берут на себя новую работу

Эволюция плаценты как нового органа включала перепрофилирование существующих тканей, функции которых у предка были рекрутированы для поддержки новых функций органа.

Пример — производство гормонов эмбриональными оболочками. У яйцекладущих наземных позвоночных яйца выстланы рядом оболочек, которые производят разнообразные гормоны, важные для роста и развития плода. После эволюции живорождения эти гормоны получили возможность взаимодействовать с материнскими тканями, что привело к эволюции фетально-материнской коммуникации.

Предыдущие исследования показывают, что сигнализация между различными тканями обычно инициирует развитие органов у животных. Мы предполагаем, что эта сигнализация была важна не только для развития органа, но и для его происхождения.

Если мутация приводит к тому, что ткани начинают развиваться рядом друг с другом по-новому, то сигнальные динамики внутри этих тканей, вероятно, начинают влиять на развитие друг друга. Эта новая сигнализация может стать инициатором развития нового органа. Мы считаем, что плацента — лишь один пример этого явления в действии. Этот путь может быть общим способом возникновения новых органов у животных.

Эволюция плаценты как пример для изучения

Наше исследование предполагает, что новые органы эволюционировали путём перепрофилирования существующих частей тела. Со временем органы могут развивать новые структуры и функции, повышающие приспособленность или репродуктивный успех животного. Эти изменения являются результатом генетических изменений, которые мы можем выявить, сравнивая ныне живущих животных.

Отдельная особь не получает внезапно орган, которого никогда не было. Но небольшие генетические изменения происходят постоянно. По мере их накопления в конечном итоге могут эволюционировать сложные биологические структуры. Теперь мы начинаем определять конкретные типы генетических изменений, которые позволяют новым сложным органам эволюционировать внутри животных.