Профессор Мари Кмита (Marie Kmita) и ее коллеги из Монреальского университета (Канада) решили разобраться, почему у человека и позвоночных именно по пять пальцев на руках и ногах. Они выяснили, что за различия в развитии конечностей у водных и «сухопутных» животных отвечают различия в деятельности всего одного гена. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature, а их краткое изложение представляет портал Science Daily.

Известно, что наши конечности эволюционировали из плавников. Эволюция, которая привела к появлению членов и, в частности, к возникновению пальцев у позвоночных, отражает изменения скелета, связанные с переменой среды обитания — переходом от водной среды к жизни на суше.

Совсем недавно — в августе этого года — исследователь из Чикаго, профессор Нил Шубин и его команда, показали, что два гена — hoxa13 и hoxd13 — ответственны за формирование лучей плавников и наших пальцев. «Этот результат очень интересен, потому что он четко устанавливает молекулярную связь между лучами плавников и пальцами», — сказал Ясин Херджемил (Yacine Kherdjemil), докторант в лаборатории Марии Кмиты и первый автор статьи.

Тем не менее, переход от плавников к рукам и ногам не происходил одномоментно. Ископаемые останки указывают на то, что наши далекие предки были многопалыми, а это означает, что у них было больше, чем пять пальцев. Вопрос, почему же у нас в итоге их именно пять.

В ходе лабораторных экспериментов авторы исследования обратили внимание на то, что во время роста эмбрионов мыши и человека гены hoxa11 и hoxa13 активируют рост лишь отдельных областей зачатков конечностей, в то время как у рыб эти гены активируются в перекрывающихся областях, что ведет к  развитию плавников.

Пытаясь понять значение этого различия, ученые показали, что при воспроизведении рыбьего типа гена hoxa11 у мышей, они развивают до семи пальцев на каждой лапе, то есть, образно говоря, возвращаются к исконному облику. Мари Кмита также обнаружила последовательность ДНК, ответственную за переход между рыбьим и мышиным типом регулирования для гена hoxa11. «Мы предполагаем, что это значительное морфологическое изменение произошло не за счет приобретения новых генов, но изменения их деятельности», — сказал исследователь.

С медицинской точки зрения, это открытие подтверждает гипотезу, согласно которой пороки развития в период внутриутробного развития происходят не только из-за мутаций в генах, но и за счет изменения работы последовательностей ДНК, известных как регуляторные последовательности.

«В настоящее время технические ограничения не позволяют идентифицировать этот тип мутации непосредственно у пациентов, поэтому важно проведение фундаментальных исследований с использованием животных», — рассказала профессор Кмита.

Источник: Научная Россия

Генетические исследования, проведенные в Медицинском центре Чикагского университета, показали, что HOX-гены, отвечающие за формирование конечностей, отвечают у рыб за формирование плавников. Подробности исследования опубликованы в журнале Nature.

КонечностиУченые под руководством Нила Шубина (Neil Shubin) использовали новейшие методы генной инженерии и сложные карты зачатков для того, чтобы проследить развитие клеток, формирующих плавники у рыб. Результат оказался совершенно неожиданным. Как выразился Нил Шубин, «у меня колени подогнулись, когда я в первый раз увидел результаты».

Дело в том, что ученые были убеждены в отсутствии связей между плавниками и пальцами у четвероногих, так как они сформированы из совершенно различных тканей. Между тем, как выяснилось, те же клетки, которые создают у рыб плавниковые лучи, формируют пальцы передних и нижних конечностей у животных.

Для того, чтобы прийти к этому выводу, генетики проводили долгие эксперименты над лучеперыми рыбами данио-рерио. Предыдущие исследования показали, что, если у мышей удаляли HOX-гены, то их конечности развивались хуже. Теперь в лаборатории Нила Шубина были выведены рыбы-мутанты, у которых были удалены некоторые гены. Дальше, с помощью тончайшего компьютерного сканирования было установлено, что плавниковые лучи у таких мутантов исчезали, а вот зато у основания плавников начинали развиваться хрящики, формировавшие маленькие косточки.

Возможно, нечто в этом роде происходило при выходе живых существ из моря на сушу, когда для жизни на земле им уже нужны были не плавники, а конечности с пальцами. Будущие исследования сосредоточатся на поисках тех ископаемых существ, которые смогут подробнее продемонстрировать, как конкретно происходил этот переход. Одна такая лопастоперая рыба тиктаалик уже была найдена на севере Канады экспедицией, в которой как раз участвовал Нил Шубин. У тиктаалика все признаки рыбы, но есть и сходство с четвероногими. 

Источник: Научная Россия

Согласно общепринятым научным представлениям, тремя сохранившимися за миллионы лет эволюции в крыльях птиц пальцами являются большой, указательный и средний. Новое исследование австрийских биологов показывает, что вполне возможно, этими тремя пальцами на самом деле являются указательный, средний и безымянный, а большой палец разделил судьбу мизинца и был окончательно утрачен еще динозавровыми предками современных птиц.

Окаменелость наиболее древней птицы - археоптерикса Пальцы передних конечностей самой древней известной птицы – Archaeopteryx – очень похожи на кисть его вероятного родственника, хищного динозавра Deinonychus. Летопись ископаемых показывает, что два пальца, расположенных в кисти со стороны мизинца, у предков дейнонихуса поколение за поколением редуцировались. Поэтому и пальцы современных птиц считаются тремя сохранившимися с другой стороны кисти – то есть большим, указательным и средним.

Эту концепцию подтверждают и генетические исследования – в формировании первого пальца птиц принимают участие те же гены, которые у других животных отвечают за развитие большого пальца. Однако эволюционные биологи Дэниэл Чапек и Брайан Метшер из Венского университета полагают, что в реальности дело обстоит не совсем не так. Согласно некоторым наблюдениям, например, у эмбриона птиц действительно начинает развиваться большой палец, но спустя некоторое время он исчезает, а формироваться продолжают уже другие пальцы. Таким образом, большой палец не входит в число пальцев птиц, а вот безымянный у них сохранился.

Механизм объясняющий несоответствие пальцев Архиоптерикса и современных птицУченые предложили три теории, объясняющие данное противоречие в развитии кистей птиц и динозавров. Во-первых, птицы могут не быть потомками археоптерикса и других динозавров. Во-вторых, кисть трехпалых динозавров тоже может быть сформирована средними пальцами. И в третьих, большой, указательный и средний пальцы птиц каким-то образом мигрируют на средние позиции в процессе эмбрионального развития.

"Появление пальцев – так называемый фенотип – у эмбриона контролирует сигнальный белок Sonic Hedgehog, действие которого нарастает со стороны мизинца и распространяется оттуда на всю кисть до ее полного формирования. Иными словами, концентрация этого белка со стороны мизинца максимальна и уменьшается по направлению к следующим пальцам, – рассказал Чапек. – Поэтому прекурсоры пальцев (группы клеток, которые впоследствии разовьются в пальцы), регулируют свою экспрессию генов, и, как следствие, фенотип, в соответствии с концентрацией Sonic Hedgehog в своем окружении. С учетом этого мы разработали гипотезу, основанную на молекулярных механизмах, которая объясняет все имеющиеся данные".

Согласно этой гипотезе, редукция стороны мизинца у динозавров привела к тому, что мизинец у них был утрачен навсегда, а безымянный – только частично. При этом внешние  пальцы имеют тенденцию редуцироваться более легко, чем расположенные в середине кисти, потому что формируются позже и находятся дальше от мест максимальной концентрации сигнального белка. В результате большой палец динозавров редуцируется вместо безымянного, оставляя пространство со своей стороны свободным для роста других пальцев. А Sonic Hedgehog заставляет формироваться там указательный, средний и безымянный пальцы.

"Этот механизм объясняет, почему пальцы крыльев археоптерикса и современных птиц выглядят как передние (первый, второй и третий), а на самом деле являются средними (вторым, третьим и четвертым). Такая гипотеза согласуется с данными ископаемых и соответствует результатам генетических исследований", - приводит слова Метшера Red Orbit.

Источник: PaleoNews

Трещит последний оплот учёных, не верящих в то, что птицы произошли от динозавров.

Куриный эмбрион (вверху) и ископаемая птица имеют одинаковые пальцы. (Иллюстрация авторов работы.) Будучи эмбрионами, птицы развивают нечто, похожее на три наших средних пальца, а тероподы (двуногие и в основном плотоядные динозавры, которых многие называют птичьими предками) — эквиваленты наших большого, указательного и среднего.

В 1997 году американские учёные Энн Бёрк Алан Федуччиа (орнитолог Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле) отметили, что у всех пятипалых животных четвертый палец (эквивалент нашего безымянного) формируется первым. Это верно и для куриных ног с их четырьмя пальцами, и для куриных крыльев. На основании сходства с пальцами конечностей два других пальца крыльев были названы аналогами указательного и среднего.

Два года спустя Гюнтер Вагнер и Жак Готье из Йельского университета (США) пришли к выводу, что, даже если пальцы не совпадают, птицы всё равно произошли от динозавров. Они имеют много общих скелетных особенностей — например, полые кости. Кроме того, и те и другие выделяются наличием перьев и любви к гнёздам. Для пальцев учёные предложили компромисс. В начале развития птичья лапа имеет три средних пальца, а затем клетки меняют свои планы, и пальцы становятся большим, указательным и средним.

Эту гипотезу решили проверить наши новые герои — Кодзи Тамура, Наоки Номура и их коллеги из Университета Тохоку в Сендае (Япония). Они трансплантировали эмбриональную ткань ног на крылья (и наоборот) 3,5-дневных цыплят.

Биологи сосредоточили внимание на группе клеток вдоль внешнего края конечности, которые производят белок под названием «Ёж Соник», передающийся затем другим клеткам. Под его воздействием клетки растут в зависимости от того, насколько активно они подвергались его обработке и в какие сроки. Тем самым контролируются количество и форма костей, которые в конечном счёте составляют пальцы.

Специалисты обнаружили, что клетки-организаторы из крыла и ноги действуют неодинаково. Организаторы на ногах имеют несколько дополнительных клеток, которые отвечают за формирование безымянного пальца. Иными словами, крыло не содержит безымянный палец, вопреки мнению Бёрк и Федуччиа.

Далее исследователи пометили у трёхдневных эмбрионов клетки, которые в соответствии с гипотезой Бёрк и Федуччиа должны были стать безымянным пальцем крыла, и выяснили, что в действительности они превращаются в аналог среднего пальца, что согласуется со сценарием Вагнера и Готье.

Насчёт убедительности предложенных доказательств у комментаторов нет единого мнения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

У большинства современных лягушек на передних лапах по четыре пальца: сначала их было пять, но пятый исчез за миллионы лет эволюции. Однако нет правил без исключений: на Японских островах живёт колючепалая лягушка с пятью пальцами на передних конечностях.

Лапа колючепалой лягушки с «пятым пальцем» (фото Noriko Iwai/ University of Tokyo)Правда, строго говоря, пятый палец у этой лягушки не совсем настоящий: это вторичный костный вырост, заключённый в чехол из кожи. Развивается он совсем не так, как обычные пальцы, и в этом смысле колючепалая лягушка похожа на большую панду, ещё одного обладателя ложных пальцев.

«Лишний» палец есть и у самцов, и у самок, но у первых он длиннее и толще. Норико Иваи из Токийского университета (Япония) решила выяснить, зачем амфибиям это странное приспособление. Она заметила, что пойманные лягушки выдвигают костный вырост из кожного чехла, подобно тому как кошки выпускают когти и стараются уколоть ими того, кто взял их в руки. Причём самцы делают это активнее, чем самки.

Использую скрытую видеосъёмку, зоолог попробовала понаблюдать за колючепалыми лягушками в их естественной среде. Оказалось, что ни для охоты, ни для отпугивания хищников коготь не используется. Потребность в нём возникает только тогда, когда самцу нужно прогнать конкурента со своей территории или же удержать самку во время спаривания. В первом случае самцы сталкиваются мордой к морде, обхватывают друг друга передними лапами и стараются проткнуть соперника с помощью своего оружия. Поединок длится в среднем 15 минут, и нанесённые «пятым пальцем» раны могут быть весьма серьёзными.

Когда самец спаривается с самкой, он удерживает её под собой, прижимая коготь у основания её передних лап. Для самок это тоже отнюдь не безопасно, и из романтического приключения они порой выходят с заметными телесными повреждениями. При этом, как сказано в Journal of Zoology, сами самки свой коготь не используют вообще никогда.

Норико Иваи полагает, что интенсивная конкуренция и воинственный дух заставляли самцов колючепалых лягушек становиться всё больше и больше. Самки же оставались прежними, и спариваться большим самцам с маленькими самками становилось всё неудобнее. Чтобы как-то помочь себе в этом, самцы восстановили у себя «пятый палец» — костный вырост в кожаных ножнах. И лишь потом они стали использовать его как оружие в междоусобных войнах.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА