Идея сначала предложила 138 лет назад, чтобы конечности развились из жабр, который был широко дискредитирован из-за отсутствия поддержки доказательств окаменелости, может оказаться правильным, в конце концов – и подсказка находится в гене, названном по имени общего любимого синего ежа.В отличие от других рыб, у хрящевых рыб, таких как акулы, коньки и лучи есть серия откидных створок кожи, которые защищают их жабры. Эти откидные створки поддержаны арками хряща с подобными пальцу придатками, названными жаберными приложенными лучами.В 1878 влиятельный немецкий анатом Карл Джедженбор представил теорию, которая соединила плавники и в конечном счете конечности, развитые из структуры, напоминающей жаберную дугу хрящевых рыб.
Однако ничто в отчете окаменелости, как никогда не обнаруживали, поддерживало это.Теперь, исследователи повторно исследовали идеи Джедженбора, используя последние генетические методы на эмбрионах небольшого конька – рыба от самой группы, которая сначала вдохновила спорную теорию более чем век назад – и сочла поразительные общие черты между генетическим механизмом используемыми в развитии его жаберных дуг и теми в человеческих конечностях.
Ученые говорят, что это сводится к критическому гену в развитии конечности, названном ‘Звуковой еж’, названный по имени характера видеоигры исследовательской группой в Медицинской школе Гарварда.Новое исследование показывает, что функции Звукового гена ежа в человеческом развитии конечности, диктуя идентичность каждого пальца и поддерживая рост скелета конечности, отражены в развитии жаберных лучей в эмбрионах конька. Результаты изданы сегодня в разработке журналов.
Доктор Эндрю Джиллис, от Отдела Кембриджского университета Зоологии и Морской Биологической Лаборатории, которая привела исследование, говорит, что это показывает, что аспекты теории Джедженбора могут на самом деле быть правильными, и обеспечивают большее понимание происхождения губочных позвоночных животных – группа животных, которая включает людей.«Gegenbaur посмотрел на способ, которым эти жаберные лучи соединяются с жаберными дугами и заметили, что это выглядит очень похожим на способ, которым скелет плавника и конечности ясно формулирует с плечом», говорит Джиллис. «Жаберные лучи расширяют как серия пальцев вниз сторону жаберной дуги акулы».«То, что Звуковой ген ежа выполняет те же самые две функции в развитии жаберных дуг и жаберных лучей в эмбрионах конька, как это делает в развитии конечностей в эмбрионах млекопитающего, может помочь объяснить, как Gegenbaur прибыл в его спорную теорию на происхождении плавников и конечностей».
В эмбрионах млекопитающего Звуковой ген ежа настраивает ось конечности на ранних стадиях развития. «В руке, например, Звуковой еж говорит конечность, какая сторона будет большим пальцем и какая сторона будет пальцем мизинца», объясняет Джиллис. В более поздних этапах развития Звуковой еж поддерживает продукт так, чтобы конечность выросла до ее полного размера.
Чтобы проверить, функционирует ли ген таким же образом в эмбрионах конька, Gillis и его коллеги запретили Звукового ежа в различных пунктах во время их развития.Они нашли это, если Звуковой еж был прерван рано в развитии, жаберные лучи, сформированные о неправильной стороне жаберной дуги.
Если Звуковой еж был прерван позже в развитии, то меньше жаберных лучей сформировалось, но те, которые действительно росли, выросли на правильной стороне жаберной дуги – показывающий, что ген работает удивительно похожим способом здесь как в развитии конечностей.«Взятый до крайности, эти эксперименты могли интерпретироваться как доказательства, что конечности делят генетическую программу с жаберными дугами, потому что плавники и конечности, развитые преобразованием жаберной дуги у наследственного позвоночного животного, как предложено Gegenbaur», говорит Джиллис. «Однако могло также случиться так, что эти структуры, развитые отдельно, но, снова использовали ту же самую существующую ранее генетическую программу. Без доказательств окаменелости это остается чем-то вроде тайны – есть промежуток в отчете окаменелости между разновидностями без плавников и затем внезапно разновидностями с соединенными плавниками – таким образом, мы еще не можем действительно быть уверены, как соединенные придатки развились».
«Так или иначе это – захватывающее открытие, потому что оно представляет свидетельства для фундаментальной эволюционной связи между жаберными лучами и конечностями», говорит Джиллис. «В то время как палеонтологи ищут окаменелости, чтобы попытаться восстановить эволюционную историю анатомии, мы эффективно пытаемся восстановить эволюционную историю генетических программ, которые управляют развитием анатомии».Соединенные придатки, такие как руки и ладони в людях, являются одной из ключевых анатомических особенностей, которые отличают губочных позвоночных животных от других групп. «Есть большой интерес к попытке понять происхождение губочных позвоночных животных и происхождение новых особенностей как плавники и конечности», говорит Джиллис.«Что мы изучаем, то, что много новых особенностей могли не возникнуть внезапно с нуля, а скорее щипнув и снова использовав относительно небольшое количество древних программ развития».
Gillis и его коллеги далее проверяют теорию Джедженбора, сравнивая функцию большего количества генов, включил развитие необычных жабр коньков и конечностей млекопитающих.«Предыдущие исследования не нашли востребованные генетические общие черты развития между производными жаберной дуги и соединили придатки – но эти исследования были сделаны у животных как мыши и данио-рерио, у которых нет жаберных лучей», говорит Джиллис.
«Полезно изучить хрящевых рыб, не только потому, что они были группой, которая сначала вдохновила теорию Джедженбора, но также и потому что у них есть много характерных особенностей, которые другие рыбы не делают – и мы находим, что можем узнать много об эволюции от этих характерных особенностей».«Многие исследователи смотрят на мышей мутанта или дрозофил, чтобы понять генетический контроль анатомии. Наш подход должен изучить и сравнить разнообразные анатомические формы, которые могут быть найдены в природе, чтобы получить сведения об эволюции позвоночного тела».
Это исследование финансировалось Королевским обществом, Isaac Newton Trust и премией исследования от Морской Биологической Лаборатории.