Биология

Переселение позвоночных из воды в наземно-воздушную среду жизни стало поворотным моментом в истории биосферы. Однако этот эволюционный скачок имел и серьезные побочные эффекты: он привел к потере способности восстанавливать потерянные части тела рептилиями, птицами и млекопитающими. В новой статье биологи рассмотрели генетические и эволюционные аспекты освоения суши и выяснили, что резкое ослабление регенерации стало своеобразной «расплатой» за адаптации животных к другой среде.

Большую часть своей истории жизнь на Земле в действительности была исключительно «жизнью в воде». Ситуация начала меняться лишь в начале палеозойской эры, когда на суше показались первые примитивные растения — потомки зеленых водорослей, грибы и беспозвоночные вроде скорпионов.

Хордовые, а точнее — животные с позвоночником, выбрались на берег заметно позже, когда там уже была некоторая компания. Первые следы позвоночных на суше оставили «рыбоноги» (fishapod) вроде тиктаалика, переходного звена между рыбами и амфибиями.

Позднее именно позвоночные стали самыми крупными животными наземно-воздушной среды жизни и ключевым компонентом ее экосистем. От первопроходцев-земноводных (или амфибий) произошли рептилии, а затем млекопитающие и птицы. Однако господство позвоночных на суше обернулось для них утратой: они намного хуже регенерируют, чем так называемые анамнии (низшие позвоночные) и многие беспозвоночные.

Действительно, рыбы и амфибии с легкостью и довольно быстро отращивают крупные части своего тела в случае потери — скажем, если их кто-то откусил. Например, аксолотль может восстановить после ампутации конечности, сердце и даже головной мозг.

Совсем другое дело — рептилии и тем более птицы с млекопитающими. Есть лишь отдельные исключения вроде ящериц, способных к регенерации хвоста после утраты, в том числе намеренного отбрасывания. Остальные же наземные позвоночные (амниоты) не могут вернуть себе даже потерянный палец. Их возможности к самовосстановлению ограничены заживлением ран и «отращиванием» отдельных органов, например печени.

Ученые из ИБХ РАН и РНИМУ — авторы новой публикации в журнале Biology Reviews — решили выяснить, как связана потеря регенеративных способностей со сменой среды жизни. Исследователи предположили, что те резко снизились из-за появления у позвоночных новых признаков, которые были важнее для освоения суши: усложнения иммунитета, ороговения поверхности кожи, перехода к теплокровности (гомойотермии), а также увеличения размеров тела.

Эволюционная перестройка отразилась на геномах животных: они потеряли множество генов и регуляторных областей ДНК (энхансеров), которые помогали их предкам. Теперь такие ограничения зафиксированы в геномах высших позвоночных, включая человека.

Ученые отметили, что животные разучились восстанавливать свой организм заметно раньше, чем растеряли нужные для этого гены. В общей сложности таких около 150 — у рыб и амфибий они нужны для ранней стадии регенерации, которая начинается сразу после травмы. В отличие от генов, которые включаются позднее, ранние гены регенерации не влияют на эмбриональное развитие организма, так что их удаление не привело к фатальным для животных последствиям.

Из новой статьи также следует, что самый перспективный способ восстановить конечность у человека — для начала создать ее эмбриональный зачаток. Его можно получить на основе индуцированных стволовых клеток с помощью тканевой инженерии. В дальнейшем такая «заготовка» должна вырасти в полноценную руку или ногу.