Генетики в шоке: руки у людей реально растут из того самого места – причем из рыбьего

Новое исследование, проведенное международной группой ученых из Швейцарии и США, проливает свет на удивительный механизм, который мог сыграть ключевую роль в происхождении человеческих пальцев. Согласно работе, опубликованной в журнале Nature, генетическая основа для развития пальцев и пальцев ног у человека, возможно, возникла около 380 миллионов лет назад для другой цели — регулирования формирования клоаки у рыб.

Учёные долго искали ответ на вопрос, как у четвероногих животных, или тетрапод, появились пальцы от их рыбьих предков. И, как оказалось, ключ к разгадке лежит в определённых генах, называемых Hoxd, которые играют важную роль в регуляции развития тела.

Генетическая основа развития пальцев

Суть исследования заключается в том, что ученые сосредоточились на генах Hoxd, являющихся частью генетической системы, регулирующей развитие организма. Исследователи из Женевского университета и других учреждений сравнили геномы рыбок данио и мышей, уделив особое внимание генам Hoxd и прилегающим к ним регуляторным элементам, которые контролируют их активность.

Оказалось, что у рыбок данио, не имеющих пальцев, отсутствуют некоторые элементы Hoxd, но сам регуляторный ландшафт с важными переключателями, управляющими этими генами, сохранялся. Это наблюдение дало ученым ключ к разгадке, как изначально эти гены регулировали образование другой структуры — клоаки у рыб.

Роль клоаки в эволюции

Чтобы подтвердить гипотезу, ученые использовали технологию CRISPR-Cas9 для удаления регуляторных элементов в эмбрионах рыбок и мышей. Как показали результаты эксперимента, у мышей с удаленными регуляторами пальцы развивались неправильно, а у рыбок данио происходили нарушения в формировании клоаки, а не плавников.

Таким образом, это исследование показало, что первоначальная роль генов Hoxd и их регуляторных элементов заключалась в развитии клоаки — многофункционального отверстия, которое используется рыбами для выделения и размножения. Но по мере эволюции тетрапод и их перехода от водных предков к наземным существам этот генетический механизм был адаптирован для формирования пальцев.

Эволюционные инновации

Как отметил генетик Дени Дюбуль из Женевского университета, этот процесс является примером того, как эволюция перерабатывает старые генетические механизмы, превращая их в нечто новое. Это позволяет создать новые структуры, такие как пальцы, без необходимости "строить" генетические инструменты с нуля.

Ученые предполагают, что схожесть между клоакой и пальцами заключается в том, что и те, и другие представляют собой терминальные структуры организма, находящиеся на конечных участках тела. Эта находка заставляет по-новому взглянуть на развитие живых существ и связь между различными эволюционными стадиями.

Ошибка — Последствие — Альтернатива

• Ошибка: Отказаться от изучения изменений в генах Hoxd.
  Последствие: Недоразумения в интерпретации происхождения пальцев и других конечностей.
• Альтернатива: Углубить исследования механизмов, управляющих развитием конечностей.

Сравнение подходов

А что если…

А что если эта модель окажется только частью более сложной истории эволюции? Возможно, дальнейшие исследования помогут раскрыть другие аспекты связи между различными эволюционными процессами и объяснить, как старые механизмы генов могли быть перепрофилированы для других целей.

Плюсы и минусы

FAQ

Что такое клоака и как она связана с пальцами?
Клоака — это отверстие, которое используется рыбами для выделения и размножения, и оно связано с развитием пальцев через общие генетические механизмы.

Почему изучение генов Hoxd важно для понимания эволюции?
Эти гены регулируют развитие конечностей, и их изучение помогает понять, как старые генетические механизмы адаптировались к новым функциям.

Как изменение климата может влиять на эволюцию жизни на Земле?
Изменения в климате могут ускорить адаптацию живых существ, заставляя их быстрее приспосабливаться к новым условиям.

Мифы и правда

• Миф: Пальцы появились у тетрапод с нуля.
  Правда: Пальцы появились благодаря переработке существующих генетических механизмов, которые изначально служили для формирования других структур, таких как клоака.
• Миф: Эволюция всегда строит генетические инструменты с нуля.
  Правда: Эволюция часто использует уже существующие механизмы и адаптирует их под новые нужды, как это произошло с генами Hoxd.
• Миф: Все эволюционные изменения происходят за одно поколение.
  Правда: Эволюция — это долгий процесс, который часто происходит через миллионы лет.

Интересные факты

1. Первая теория происхождения пальцев, как орудия для захвата, была предложена еще в 19 веке.
2. Ученые из Женевского университета смогли с помощью CRISPR подтвердить, что генетический ландшафт, регулирующий развитие пальцев, имеет древнее происхождение.
3. Эти открытия открывают новые горизонты для понимания связи между старыми и новыми биологическими структурами в ходе эволюции.

Исторический контекст

Исследования развития пальцев и конечностей у животных начинают привлекать внимание с конца 19 века, когда было предложено множество теорий об их происхождении. Современные исследования, такие как работа, опубликованная в Nature, дают нам гораздо более глубокое понимание того, как старые эволюционные механизмы перепрофилировались в новые формы и функции, в том числе в процессе адаптации к жизни на суше. Эти процессы связаны с важнейшими переходными этапами в истории жизни на Земле, такими как переход от водных существ к наземным животным.