Новое исследование показало, что жабры возникли гораздо глубже в эволюционной истории, чем считалось ранее. Полученные данные подтверждают идею о том, что жабры развились до появления последнего общего предка всех позвоночных, помогая облегчить «переход к образу жизни» от неподвижного фильтратора к активному плавающему хищнику.
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Current Biology, показывает, что жабры развиваются из одной и той же эмбриональной ткани как у челюстных, так и у бесчелюстных позвоночных - линия, которая очень рано разделилась на нашем древе предков.
Позвоночные с челюстями, такие как рыбы, птицы и млекопитающие, составляют 99% всех живых позвоночных, включая нас. К бесчелюстным позвоночным относятся паразитическая минога и миксина-падальщик: угреподобные существа, которые отошли от линии предков более 400 миллионов лет назад.
Предыдущая работа в этой области заключалась в нарезании тонких срезов эмбрионов рыб для определения роста органов. Эти «моментальные снимки» развития привели ученых к мысли, что жабры образовались из разных тканей: внутренней «энтодермы» у бесчелюстных позвоночных и внешней кожи «эктодермы» у челюстных.
В результате с середины 20-го века считалось, что древние челюстные и бесчелюстные линии развили жабры отдельно после того, как они разделились, что является примером «конвергентной эволюции», когда природа находит одно и то же решение дважды (например, например, использование эхолокации у летучих мышей и китов).
Биологи из Кембриджского университета использовали флуоресцентную маркировку для окрашивания клеточных мембран эмбрионов скатов и отслеживали их в процессе динамического развития. Их эксперимент показал, что жабры челюстных позвоночных формируются из тех же клеток внутренней оболочки, что и их бесчелюстные родственники.
Исследователи говорят, что это убедительное доказательство того, что жабры развились только один раз, гораздо раньше в истории эволюции - до расхождения без челюстей - и что «коронный предок» всех позвоночных, следовательно, был более анатомически сложным существом.
Выводы приближают изобретение жабр к сдвигу в «активном образе жизни» у наших ранних предков: эволюции от пассивных питающихся фильтрами до самоходных океанских пловцов. Ученые говорят, что развитие жабр могло быть катализатором или следствием этого гигантского физиологического скачка.
"Эти находки демонстрируют единое происхождение жабр, которое, вероятно, соответствует ключевой стадии эволюции позвоночных: когда некоторые из наших самых ранних родственников перешли от фильтрации частиц из воды, прокачиваемой через неподвижные тела, к активному плаванию в океанах", - говорит ведущий автор доктор Эндрю Гиллис, научный сотрудник Университета Королевского общества на факультете зоологии Кембриджа и исследователь Уитмена в Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул, США.
Жабры обеспечили позвоночных специальными органами дыхания в голове, вместо того, чтобы дышать исключительно через кожу по всему телу. Мы не можем сказать, стали ли эти ранние животные более активными и нуждались ли они в развитии нового дыхательного механизма., или эволюция жабр позволила им двигаться быстрее.
"Однако, то ли по требованию, то ли по возможности, наша работа предполагает, что физиологические инновации жабр произошли одновременно с переходом образа жизни от пассивного к активному у некоторых из наших самых ранних предков."
В то время как линия челюстных позвоночных породила большую часть позвоночных, существующих сегодня на Земле - «с точки зрения эволюции, мы все костистые рыбы», - говорит Гиллис, - миноги и миксины являются живыми остатками некогда обширного скопления примитивных хищные бесчелюстные позвоночные.
«Минога - это похожие на угря паразиты, которые используют свои зубоподобные органы и хриплый язык, чтобы цепляться за рыбу и высасывать кровь, в то время как миксины питаются падалью, откусывая от мертвой материи», - говорит он.
Гиллис и его коллеги использовали эмбрионы маленького ската для отслеживания раннего развития жабр с помощью отслеживания клеток. Скаты - это хрящевые рыбы - ранневетвящаяся линия челюстных позвоночных, в которую входят акулы и скаты.
Это сделало скейт отличной точкой сравнения, чтобы попытаться сделать вывод о примитивных анатомических условиях и условиях развития у последнего общего предка челюстных и бесчелюстных позвоночных.
Эмбриональная работа лаборатории Гиллиса аккуратно дополняет палеонтологические исследования их коллеги из Кембриджа профессора Саймона Конвея Морриса, который посвятил большую часть своей карьеры изучению окаменелостей кембрийского периода быстрой эволюции, когда произошло большинство основных групп животных.
В 2014 году Конвей Моррис был частью команды, обнаружившей Metaspriggina: одну из старейших известных окаменелостей позвоночных, возраст которой, возможно, превышает 500 миллионов лет. активный пловец.
«Наше эмбриологическое исследование помогает нам точно понять, как жаберные структуры ранних позвоночных, таких как Metaspriggina, соотносятся с жабрами живых форм», - говорит Гиллис.
"Эмбриология может рассказать нам об эволюционной взаимосвязи между анатомическими особенностями живых животных, в то время как палеонтология может точно определить, когда эти особенности впервые появляются в далеком прошлом. Я думаю, что эта работа прекрасно иллюстрирует, как эти две области исследований могут информировать друг друга."