Что общего у мыши с хрящевой рыбой, известной как маленький скейт?
На первый взгляд, вы можете думать не много. Один пушистый, с большими ушами и усами; другой дышит жабрами и колеблется вокруг океана. Одним из них является вредитель лабораторного животного или домашнего хозяйства; другой, скорее всего, можно увидеть в дикой природе или на дне мелкого бассейна в аквариуме. Но оказывается, что у этих двух позвоночных есть что-то общее: способность ходить. И причина, по которой мы можем изменить то, как мы думаем об эволюции ходьбы от наземных животных, включая людей.
Новое генетическое исследование, проведенное учеными из Нью-Йоркского университета, обнаруживает нечто удивительное: подобно мышам, маленькие коньки обладают генетической схемой, позволяющей использовать локомоцию с изменением влево-вправо, которую используют четвероногие наземные животные. Эти гены были переданы от общего предка, который жил 420 миллионов лет назад, задолго до того, как первые позвоночные когда-либо переползли с моря на берег.
Другими словами, у некоторых животных могли быть нервные пути, необходимые для ходьбы, даже прежде, чем они жили на суше.
Опубликованное сегодня в журнале Cell новое исследование началось с основного вопроса: как различные моторные формы поведения эволюционировали или менялись у разных видов с течением времени? Автор Джереми Дэйсен, доцент Института нейронауки Нью-Йоркского университета, ранее работал над движением змей. Он был вдохновлен изучать коньки после прочтения книги Нила Шубина « Твоя внутренняя рыба: путешествие в историю человеческого тела за 3, 5 миллиарда лет», но не знал, с чего начать.
«Я понятия не имел, как выглядел скейт», - говорит Дасен. «Я ел это в ресторане раньше. Поэтому я сделал то, что делают все, я пошел в Google, чтобы найти видеоролики с коньками ». Одним из первых, что он нашел, было видео на Youtube с отчетливым коньком, занимающимся ходьбой. «Я был как, вау, это действительно круто! Как это происходит? »- говорит он.
Используя скаты, собранные Морской биологической лабораторией в Вудс-Хоуле, Дасен и другие пытались это выяснить. Во-первых, основы: маленькие коньки - это обитатели дна, которые живут вдоль восточного побережья в Атлантическом океане. У них фактически нет ног, и их ходьба не похожа на человека, идущего на прогулку. Они используют передние тазовые плавники, называемые «голень», расположенные под гораздо большим ромбовидным плавниковым плавником, который волнообразно плавает во время плавания.
Когда они кормятся или им нужно двигаться медленнее, они вовлекают своих голеней в лево-правое чередование по дну океана. Снизу это почти похоже на маленькие ножки, продвигающие коньки вперед.
Но Дасен и его команда интересовались не только биомеханикой; они хотели определить гены, которые контролировали двигательные нейронные пути для ходьбы на коньках.
Рассматривая расположение позвоночных, генетики часто начинают с генов Hox, которые играют решающую роль в определении плана организма организма. Если гены выбиты или неупорядочены, это может означать катастрофу для животного (как в эксперименте, в котором муха отрастила ноги вместо антенн на голове после того, как ученые намеренно выбили определенные гены Hox).
Дасен и его коллеги также изучили генетический фактор транскрипции, называемый Foxp1, расположенный у спинного мозга у четвероногих. Упрощенное объяснение состоит в том, что это работает, вызывая моторные нейроны, которые учитывают ходячее движение.
«Если вы выбиваете [Foxp1] из таких модельных организмов, как мыши, они потеряли всю способность координировать свои мышцы конечностей», - говорит Дасен. «У них тяжелый тип моторной дискоординации, который мешает им нормально ходить». Дело не в том, что у мышей без Foxp1 нет конечностей или мышц, необходимых для ходьбы - у них просто нет правильной электрической схемы для этого.
Та комбинация генов в маленьких коньках, которая позволяет им перешагивать через морское дно в поисках обеда, восходит к общему предку, который жил 420 миллионов лет назад - сюрприз для исследователей, так как умение ходить было задумано прийти после начала перехода от моря к суше, а не до. Тот факт, что такие генетические признаки сохранялись так долго и развивались такими уникальными способами у разных видов, только усиливал волнение Дасена.
«Существует много литературы об эволюции конечностей, но она не учитывает нейрональную сторону вещей, потому что ее гораздо сложнее изучать», - говорит Дасен. «Нет никаких окаменелостей для нейронов и нервов. Существуют гораздо лучшие способы изучения эволюции, глядя на костные структуры ».
Многие исследователи обратились к летописи окаменелостей за сведениями о самых ранних обитателях земли. Это Elginerpeton pancheni, ранний четвероногий, живший за океаном около 375 миллионов лет назад. А еще есть Acanthostega, еще одно древнее позвоночное, которое недавно проанализировали ученые, чтобы узнать о его моделях роста конечностей и половой зрелости.
Между тем, другие биологи нашли подсказки, посмотрев на некоторых из самых странных из ныне живущих рыб, многие из которых имеют древнюю родословную. Некоторые смотрели на коелкантов и саркоптеригов, или на легких рыб (последние используют тазовые плавники, чтобы двигаться, как ходьба). Другие исследовали движение Бишр. Африканские виды рыб оснащены легкими, а также жабрами, поэтому могут выживать без воды и имеют движение, похожее на ходьбу, когда вынуждены жить на суше, как видно из эксперимента 2014 года, проведенного биологом из Оттавского университета Эмили Станден и другие.
Станден говорит, что она очень восхищается новым исследованием маленьких коньков. «Я ожидала, что было бы довольно много сходства [в системах, стоящих за движением различных животных], но тот факт, что это так близко, как это было, было приятным сюрпризом», - говорит она. «Это говорит о том, во что я очень верю, что нервная система и то, как она развивается и функционирует, очень гибкая».
Эта гибкость была ключевой в истории эволюции. Благодаря этому 420-миллионному предку у нас теперь есть все: от рыб, которые плавают, до скользящих змей, от мышей, которые ходят, до коньков, которые используют комбинацию движений - с геном Foxp1, выраженным или подавленным в зависимости от уникальный план тела животного и передвижение.
И теперь, когда мы знаем немного больше о том, что контролирует это движение в коньках, возможно, что у знания будет будущее использование для понимания двуногости в людях.
«Основной принцип, с помощью которого двигательные нейроны соединяются с различными цепями, на самом деле не разработан [в сложных организмах], поэтому скейт - это способ взглянуть на это в более упрощенной системе», - говорит Дасен. Но он не хочет опережать себя, предсказывая, что это может означать в будущем. Дейсен просто надеется, что увидев исследование, люди просто подумают: «Ну и дела, это действительно здорово. Они могут ходить!
