Почти 700 лет назад голландский поэт Якоб ван Марлант изобразил чудо–рыбу, готовую к жизни на суше: у неё выросли руки, чтобы выбраться на берег. И вот, проведённые в недавнее время три генетических исследования, делают его фантазию удивительно прозорливой. В совокупности эти исследования показывают, что с точки зрения набора генов водные предки четвероногих наземных животных (тетраподов), были так же хорошо подготовлены, как и эта фантастическая рыба с картины. Эти предки были заранее оснащены генами, которые можно было использовать для создания конечностей, эффективных лёгких и нервной системы, настроенной на решение тех проблем, которые создаёт жизнь на суше.
Обнаруженные окаменевшие останки помогли раскрыть часть деталей этой удивительной метаморфозы. Рыба с мясистыми плавниками, поддерживаемыми у основания единственной костью (по научной классификации —
лопастепёрая рыба), переместилась на мелководье около 375 миллионов лет назад. Примерно 5 миллионов лет спустя некоторые из обладателей этих лопастепёрых плавников выползли на твердую поверхность суши. Первая рыба, ступившая плавниками на землю, должна была уже иметь по крайней мере некоторые физические черты и генетические модификации, необходимые для этого события, но науке было не известно, как и когда они сформировались.
В трёх исследованиях, опубликованных на прошлой неделе в журнале
Cell,
было показано, как при помощи исследования генов ныне живущих рыб можно заглянуть в далёкое прошлое. Ряд подсказок к разрешению этой загадки был получен в результате исследований рыбок данио–рерио (излюбленной модели биологов и аквариумистов) с определённой мутацией. М. Брент Хокинс, бывший аспирант Гарвардского университета, а ныне постдок, был шокирован, обнаружив мутантных рыбок данио с двумя костями, напоминающими кости передних конечностей наземных животных, расположенными в их передних плавниках. Вместе с мышцами, суставами и кровеносными сосудами. Всё, как и положено... тетраподам!
За эту трансформацию ответственны два мутировавших гена,
vav2 и
waslb. Оба гена кодируют белки, которые являются частью процесса, контролирующего активность белков Hox11, регуляторных молекул, которые, помимо других функций, направляют формирование двух костей предплечья у млекопитающих. У рыб другие белки обычно подавляют Hox11 и предотвращают образование этих костей. Но мутации, которые Хокинс воссоздал с помощью редактора генов CRISPR, реактивируют этот путь.
Другие генетические подсказки исходят от живых представителей древних родов рыб. Сегодня живы только две группы лопастепёрых рыб:
двоякодышащие и
латимерии. Около 400 миллионов лет назад они отошли от другой линии лопастепёрых, превратившихся 30 миллионов лет спустя в четвероногих обитателей суши. Сегодняшние океаны и другие водоёмы в основном населены видами из другой группы, которая возникла около 420 миллионов лет назад:
рыбами с лучепёрыми плавниками, названными так потому, что их плавники состоят из тонких лучеобразных костей.
Эволюционные генетики Гоцзе Чжан из Копенгагенского университета и Вэнь Ван из Северо–Западного политехнического университета в Сиане (Китай) и их коллеги секвенировали геномы африканских двоякодышащих рыб, которые рано отделились от других лопастепёрых рыб. Исследователи также секвенировали геномы бичира, рыбу из
семейства многопёрообразных, обитающую на мелководье тропических рек Африки, а также американского веслоноса, ильной рыбы и миссисипского панцирника. Все рыбы с лучевыми плавниками эволюционировали намного раньше (см.
диаграмму) костистых рыб, которые доминируют в водах современной Земли. Зная возраст расхождения каждой из этих линий, учёные смогли определить, когда и где интересующие их гены впервые появились на генеалогическом древе рыб.
Ни один из видов секвенированных рыб не находится на той ветви, которая привела к тетраподам. Тем не менее, все они имеют большую часть из того генетического набора, который необходим для жизни на суше, включая большинство генов и регуляторной ДНК, необходимых для построения конечностей. Например, у всех исследованных рыб есть регуляторный элемент, помогающий формировать
синовиальные суставы, которые делают плавники и конечности гибкими, что необходимо для передвижения по суше. У рыб также есть 11 генов, которые необходимы для построения легких и работают в лёгких бичира так же, как и у людей. Один из них предназначен для выработки
легочного сурфактанта, смазывающего секрета, который помогает легким расширяться и сокращаться. И у лучепёрых рыб, и у лопастнопёрых двоякодышащих рыб также, по–видимому, есть регулирующий элемент, который помогает формировать правый желудочек сердца для более эффективной доставки кислорода у тканям организма.
Результаты проведённых исследований показывают, что многие черты, которые, как мы наивно полагали, характерны только для наземных животных, также присущи и рыбам. Просто у последних они находятся в скрытном от невооружённых глаз виде. Обнаружение всех этих генов у рыб с лопастными и лучевыми плавниками означает, что эти генетические особенности должны были присутствовать у их общего предка около 425 миллионов лет назад. И удивительно, что эти особенности так хорошо сохранились в течение такого длительного эволюционного времени. Потому что, например, костистые рыбы, напротив, потеряли большую часть тех черт генома, которые подготовили древних к жизни на суше.
Исследование генома двоякодышащих рыб раскрывает нам тайну более поздних адаптаций на пути к наземной жизни. Он включает в себя дополнительные гены для выработки легочного сурфактанта, отсутствующие у лучепёрых рыб, частей ДНК, которые необходимы для формирования пятипалости, соединения нервов с мышцами конечностей, а также для увеличения способности мозга к более быстрому реагированию. Все эти гены ранее считались уникальными для четвероногих.
Сложив все полученные факты вместе, Ван и Чжан пришли к выводу, что выход жизни на сушу на нашей планете состоял из трёх ключевых этапов. Первый этап — случайное возникновение способности дышать атмосферным воздухом у общего предка лучепёрых и лопастнопёрых рыб около 425 миллионов лет назад. Затем появление генов сурфактантов, новых генов модифицированной нервной системы и прочие инновации в строении организма, которые позволили лопастнопёрым рыбам временно покидать воду. Наконец, после того, как африканские двоякодышащие рыбы отделились от лопастнопёрых, их общий предок с прочими позвоночными животными приобрёл другие усовершенствования дыхательной системы и опорно–двигательного аппарата, необходимые для жизни вне водной среды.
Показательно, что вместо того, чтобы строить новые структуры и генетические пути сразу после перехода позвоночных на сушу, эволюция, по–видимому, проявила экономичность, используя уже существующие гены для адаптации к возможностям, предоставляемым наземной средой обитания. Эти исследования наглядно показывают, каким образом переход от рыб к тетраподам был достигнут за счёт изменения существующих молекулярных систем, а не создания новых.
И хотя у нас по–прежнему существуют пробелы в знании того, как рыбы вышли на сушу, но новые исследования приближают нас к более полному пониманию процесса трансформации водных существ в сухопутных. Ван Мерлант, надо полагать, был бы доволен.
Достаточно вольный перевод статьи
Hidden genetic pathways behind land–water transition are found in living fishиз номера журнала “Science” от 12 февраля 2021 года.
