Эволюция, создавая жабры рыб, по той же программе создала уши человека

Одно из исследований, опубликованное в журнале Science, показало, что наружные уши млекопитающих и другие части тела богаты необычной формой хряща, который наполнен липидами и отличается повышенной гибкостью. В статье, опубликованной в журнале Nature, говорится о том, что цепи генетического контроля, формирующие внешние уши млекопитающих, вероятно, произошли от аналогичных цепей в жабрах рыб.

Биолог Максим Пликус из Калифорнийского университета в Ирвайне и его коллеги случайно обнаружили новый хрящ, когда готовили ткань уха мыши для изучения под микроскопом. После того как они обработали ткань химическими веществами, высушивающими ее, появились характерные щели, которые обычно указывают на наличие в образце липидов. При ближайшем рассмотрении ученые заметили, что ушной хрящ отличается от обычного хряща. Он переполнен клетками, содержащими липиды и напоминает пузырчатую пленку.

Команда обнаружила такой особый хрящ с высоким содержанием липидов в носу, гортани и грудине мыши. Его обнаружили в ушах других млекопитающих, включая опоссумов, летучих мышей и людей. Однако он отсутствует у земноводных, рептилий и птиц — у всех, у кого нет внешних ушей.

Поместив образцы нового хряща в машину, которая растягивает материалы для определения их прочности, исследователи обнаружили, что он жестче и прочнее жира, но более податлив, чем обычный хрящ из колена и ребер. Когда ученые химически извлекли липиды, хрящ стал более жестким и упругим, больше похожим на обычный, что указывает на то, что именно липиды придают ему необычные свойства.

В учебниках по анатомии принято считать, что существует три основных вида хряща, говорит Пликус: «Наше открытие добавляет четвертый». По его словам, этот необычный хрящ является хорошим строительным материалом. Как только богатые липидами хондроциты оказываются на месте, они сохраняются в течение всей жизни животного и обеспечивают стабильность структуры. При этом клетки имеют одинаковый размер, почти как блоки Lego, говорит он: «Работая как природные блоки Lego, они могут взаимно выстраиваться в очень сложные микроструктуры». В ушах летучих мышей, например, они складываются в параллельные гребни, которые обостряют слух животных.

Во время эмбрионального развития хрящи жабр у рыб и хрящи наружного уха млекопитающих возникают из одних и тех же клеток. Этому есть глубокая генетическая причина, сообщают биолог Джей Гейдж Крамп из Университета Южной Калифорнии и его коллеги в исследовании Nature. Измерив активность генов в хрящах зебрафиш и человека, ученые обнаружили, что хрящи ушей человека наиболее схожи с тканями жабр зебрафиш.

Исследователи установили, что жабры рыб и ушной хрящ человека также имеют общие ключевые последовательности ДНК, которые повышают активность определенных генов. Пять из 14 последовательностей, выявленных в ушном хряще человека, присутствуют в жаберном хряще зебрафиш. Но только одна из них присутствовала в нежаберных хрящах рыб. Ученые также показали, что по крайней мере некоторые из этих последовательностей взаимозаменяемы у рыб и млекопитающих.

Когда ученые внедрили человеческие активаторы генов в зебрафиш, они включили гены, расположенные в основном в жабрах рыб. И наоборот — один из активаторов жаберных генов зебрафиш стимулировал гены в ушах грызунов, когда его добавили к эмбрионам мышей. По мнению Крампа, эти результаты показывают, что для создания ушей млекопитающие задействуют те же схемы генетического контроля, которые позволяют рыбам создавать жабры.

Крамп и его коллеги также задались вопросом, прослеживаются ли те же генетические программы дальше в эволюционной истории. Они проанализировали жаберную ткань крабов-подковоносов, которые являются дальними родственниками позвоночных.

Ученые обнаружили, что близкий родственник одного из активаторов генов хрящевой ткани у зебрафиш также работает в жабрах крабов. Когда ученые перенесли крабовую версию в эмбрионы зебрафиш, она включила гены в жабрах рыб. «Наши уши — это потенциально эволюционный остаток первого существовавшего хряща», — говорит Крамп.

Новая информация о хрящах также может помочь исследователям в создании тканей для замены травмированных или изношенных частей тела, как продемонстрировали Пликус и его коллеги, вырастив человеческие эмбриональные стволовые клетки в структуры, содержащие хрящи, похожие на хрящи лица и шеи, с хондроцитами, насыщенными липидами. «Такие выращенные в лаборатории человеческие хрящи могут быть использованы в будущем для восстановления хрящей лица и шеи», — говорит ученый.