Палеонтологи из США изучили останки вымершего пресмыкающегося Uatchitodon и реконструировали ход эволюции системы впрыскивания яда у змей.

Зубы двух видов Uatchitodon. Чёрной стрелкой обозначен канал для доставки яда, а белой — пульповая полость. (Иллюстрация из журнала Naturwissenschaften.) Современные рептилии могут убивать добычу с помощью специализированных ядопроводящих зубов, которые действуют подобно шприцу. Поскольку зубы с полыми внутренними каналами встречаются даже у древнейших известных змей эпохи миоцена, проследить эволюцию этой системы доставки яда не удавалось.

Наиболее вероятным сценарием считалось развитие каналов из бороздок на поверхности зубов, которые можно наблюдать, к примеру, у ящериц Heloderma suspectum. В пользу этой теории свидетельствовала установленная биологами схема развития клыков змеи, постепенно меняющих форму и совершающих переход от открытой канавки к защищённому каналу.

Эволюционную основу процесса, по утверждению авторов, можно изучать на примере пресмыкающихся верхнего триаса Uatchitodon, которые известны только по сохранившимся зубам. Рассмотрев образцы из Виргинии, Северной Каролины и Аризоны, палеонтологи заключили, что в последних двух штатах были найдены останки нового вида древних рептилий, названного Uatchitodon schneideri. У особей «виргинского» вида, Uatchitodon kroehleri, на зубах сохранялись канавки различной длины и глубины, тогда как у более поздних Uatchitodon schneideri бороздки закрывались, а на поверхности оставался только едва заметный «шов».

Коллеги учёных согласны с тем, что такой механизм появления ядопроводящих зубов выглядит разумно и мог приносить животным пользу даже на начальных стадиях эволюции. Впрочем, герпетолог Вольфганг Вюстер (Wolfgang Wüster) из Университета Бангора (Ирландия) советует дождаться обнаружения челюстей двух видов Uatchitodon, которые должны заметно отличаться друг от друга, если Uatchitodon schneideri действительно научились впрыскивать яд. «Шприц без поршня бесполезен, так что мне бы очень хотелось посмотреть на челюсти», — говорит г-н Вюстер.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Naturwissenschaften.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Согласно гипотезе российских ученых, бактерия чумы появилась из псевдотуберкулеза в позднем плейстоцене в Ценнтральной Азии. Видообразованию помогло похолодание. И оригинальный способ, которым грызуны защищались от холода.

Тарбаган (монгольский сурок) В последнее время появилось много попыток реконструировать распространение по миру возбудителя чумы и дать биологическое объяснение пандемиям, поражавшим человечество. Напомним, что наиболее сокрушительными оказались три эпидемии: «юстинианова чума» (551–580 гг), возникшая в византийской империи, «черная смерть» (1346−1351 гг), которая унесла треть населения Европы, и пандемия конца XIX – начала XX века. Сегодня ученые располагают молекулярно-генетическими методами, позволяющими анализировать древнюю ДНК и сравнивать различные популяции бактерий по всему миру. Чуму изучают и российские ученые. Виктор и Нина Сунцовы из Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН на основании результатов многолетнего исследования природных очагов в популяциях грызунов предложили модель возникновения чумной палочки (Yersinia pestis ) из бактерии псевдотуберкулеза (Yersinia pseudotuberculosis) в позднем плейстоцене около 20 тысяч лет назад.

Разные подходы к одному явлению

То, что предком чумной бактерии стал возбудитель псевдотуберкулеза, вызывающий дальневосточную скарлатиноподобную лихорадку, доказано бесспорно. Но дискуссионным остается вопрос, где и как это могло произойти. Как объяснил корреспонденту Infox.ru Виктор Сунцов, молекулярные генетики считают, что в основе преобразования псевдотуберкулезного микроба в возбудителя чумы лежит горизонтальный перенос генов. Это явление, когда микроорганизмы, соседствуя в популяциях, могут обмениваться между собой генами. Таким способом, предполагают ученые, бактерия псевдотуберкулеза приобрела со стороны специфические плазмиды (дополнительные кольцевые фрагменты бактериальной ДНК), генные блоки и многочисленные мобильные генетические элементы. Плазмиды pFra и pPst в большой мере обеспечивают вирулентность и патогенность бактерии. Но, подчеркивает доктор Сунцов, никто из молекулярных генетиков не описывает, откуда взялись эти генные элементы и при каких условиях в природе мог произойти процесс их горизонтальной передачи. С точки зрения российских ученых, молекулярно-генетический подход, при многих его преимуществах над классическими, рассматривает возникновение нового вида в отрыве от окружающей среды. Особенность работы российских ученых состоит в опоре на классический экологический подход.

Чумная бактерия живет не только от эпидемии к эпидемии, а постоянно сохраняется в природных очагах, включающих два компонента – популяции грызунов и блох. Возбудитель паразитирует в крови грызунов и передается от одного зверька к другому через блох, у которых микроб сохраняется в пищеварительном тракте. Бактерия чумы – паразит крови и лимфы. Но интрига в том, что бактерия псевдотуберкулеза, прямой предок возбудителя чумы – кишечный паразит. Гипотеза российских ученых объясняет, как могло произойти такое изменение паразитической природы возбудителя инфекции.

Как сурок и блоха вывели чуму

Виктор Сунцов и его коллеги работали в центральноазиатском природном очаге чумы в Туве. Здесь живет монгольский сурок-тарбаган (Marmota sibirica), на котором паразитируют блохи (Oropsylla silantiewi). В этой паразитарной системе и циркулирует исходная, наиболее древняя чумная бактерия (Yersinia pestis). Биологи считают, что условия для ее появления сложились в конце позднего плейстоцена (сартанский период в Азии, 22−15 тыс. лет назад). Это время характеризуется максимальным за весь период кайнозоя похолоданием, когда в Центральной Азии сложился ультраконтинентальный климат, при котором почва зимой промерзала до двух метров, включая зимовочные гнезда сурков. При такой холодной зимовке личинки блох, обычно живущие в выстилке гнезда и питающиеся органическим субстратом, переходят на тело спящего сурка. Перемещаясь в его шерсти, некоторые из них оказываются в ротовой полости и начинают питаться тканью слизистой оболочки ротовой полости, при этом наносят микротравмы. Эти микротравмы и становятся теми воротами, через которые бактерия псевдотуберкулеза попадает в кровь. Кровь спящего сурка не свертывается, и ротовые раны кровоточат длительное время.

А в ротовой полости бактерии оказываются из-за особенности поведения монгольского сурка. Перед началом зимовки эти грызуны затыкают вход зимовочной норы пробкой, сделанной из лепешек собственных экскрементов и из смеси фекалий с камешками и щебнем. Для этого они накапливают экскременты в специальных «туалетных» камерах. Поскольку строительный материал они переносят во рту, туда же попадают бактерии из фекалий.

Итак, бактерия попадает в кровь монгольского сурка, откуда она уже не может выйти во внешнюю среду (только в пищеварительный тракт блохи и обратно в кровь хозяина при укусах блох). Таким образом, микробы оказываются в изолированной популяции, а это, если следовать постулатам эволюционной теории, благоприятствует появлению изменений. К тому же, в этой системе складывается своеобразный температурный режим. Температура крови глубоко спящего сурка составляет около 5 градусов. Но животные часто просыпаются, при этом температура их тела постепенно в течение суток поднимается до 37 градусов. Сурки зимуют группами до 20 зверьков, и просыпаются неодновременно. Так что в любой момент времени блоха может кусать зверьков с самой разной температурой крови. Ученые считают, что именно такая среда создала условия для постепенной эволюции бактерий, поскольку микроб псевдотуберкулеза хорошо переносит холод, а чумной микроб наиболее ярко проявляет свои видовые свойства в организме теплокровных хозяев, имеющих температуру тела 37 градусов.

В этой замкнутой системе, согласно гипотезе, бактерия видоизменилась и через промежуточные формы постепенно приобрела все видоспецифические генетические элементы, то есть, превратилась в высоковирулентную и высокопатогенную бактерию чумы. В промежуточной среде, начиная с 26 градусов, бактерии чумы начинают синтезировать антибиотик пестицин, который убивает конкурентов – таким способом новый вид отделился от своего предка.

Виктор Сунцов считает, что новообразованного возбудителя чумы следовало бы отнести к новому роду или даже семейству, так как микроб полностью сменил образ жизни. Но для сохранения привычной системы обе бактерии, старую и новую, относят к одному роду Yersinia.

Чума завоевала мир благодаря крысам

Дальнейшее распространение возбудителя, по мнению российских биологов, происходило по принципу «масляного пятна», медленно расползающегося из Центральной Азии с участием других систем «грызун-блоха». «В результате в течение голоцена граница естественного природного ареала чумы охватила обширные пространства с востока на запад – от Маньчжурии до Кавказа и Иранского Курдистана, и с севера на юг – от Южной Сибири, северного Казахстана и северного Прикаспия до юга Индостана», — пояснил Сунцов. В процессе этого распространения формировались разные подвиды микроорганизма. А затем в дело вступил человеческий фактор, и чумная бактерия передавалась уже в антропогенных очагах при помощи крыс. С крысами на кораблях чума преодолела моря и океаны и завоевала Африку и Новый Свет.

По мнению Виктора Сунцова, данный сценарий соответствует современному эволюционному учению – синтетической теории эволюции. Российские биологи подчеркивают, что стоят на позициях дарвинизма. С этих позиций видообразование происходит путем постепенного накопления изменений в изолированной популяции в условиях определенной окружающей среды. Один вид дает начало другому виду через отделившиеся популяции промежуточных форм, а не скачком. Биолог считает, что предложенный сценарий возникновения чумного микроба может служить наглядной иллюстрацией дарвиновского принципа видообразования.

Источник: Infox.ru

Более миллиарда лет прошло от появления одноклеточных до "изобретения" ядра клетки и рождения ряда других новшеств. Только тогда открылась дорога к первым многоклеточным существам, давшим начало трём царствам животных, растений и грибов. Европейские учёные выдвинули новое объяснение этого преображения, идущее вразрез с существовавшими до сих пор представлениями.

Эукариоты сумели завоевать мир в первую очередь потому, что придумали митохондрии – специализированные энергетические узлы клетки (на этой модели они показаны розовым) (фото Donald Bliss, Sriram Subramaniam, National Library of Medicine, NIH) Прокариоты (доядерные одноклеточные) родились приблизительно 3,8 миллиарда лет назад. Более продвинутые по строению организмы — эукариоты (их клетки содержат ядро) — возникли более двух миллиардов лет назад. И от них порядка одного миллиарда лет назад уже стартовала эволюция многоклеточных существ.

Длина митохондрий колеблется примерно от 1 до 70 микрометров, а диаметр – от 0,5 до 10 мкм (иллюстрация Odra Noel)Теперь два таких создания – Ник Лейн (Nick Lane) из университетского колледжа Лондона (UCL) и Уильям Мартин (William Martin) из института ботаники университета Дюссельдорфа – разработали оригинальную теорию. По ней выходит, что ключом к появлению эукариот стало не изобретение ядра (как рассуждали учёные 70 лет), а возникновение митохондрий.

Принято считать, что сначала от прокариот родились более совершенные ядерные клетки, полагавшиеся на старые энергетические механизмы, а уже позже новобранцы обзавелись митохондриями. Последним отводилась важная роль в дальнейшей эволюции эукариот, но не роль краеугольного камня, лежащего в самой её основе.

"Мы показали, что первый вариант не сработает. Для развития сложности клетки ей необходимы митохондрии", — поясняет Мартин. "Наша гипотеза опровергает традиционную точку зрения, будто переход к эукариотическим клеткам требовал только лишь надлежащих мутаций", — вторит ему Лейн.

По теории симбиогенеза, митохондрии (так же как и пластиды) первоначально были отдельными одноклеточными организмами. Их захватили другие клетки, превратив в эндосимбионтов. Постепенно "квартиранты" утратили способность к самостоятельному существованию и превратились в органоиды.

Уильям и Ник говорят, что этот удачный шаг случился лишь один раз за всю историю эволюции. Вместо того чтобы стать паразитом и эксплуатировать клетку-хозяина, убивая её, предок митохондрии и приютившая его клетка пошли на сотрудничество.

Число митохондрий (показаны красным) в одной клетке варьируется от единственного экземпляра (в основном в одноклеточных эукариотах) до двух тысяч (например, в клетках печени человека) (иллюстрация Odra Noel)Появление митохондрий в плане энергетики можно сравнить с изобретением ракеты после телеги, ведь ядерные клетки в среднем в тысячу раз больше по объёму, чем клетки без ядра.

Последние, казалось бы, тоже могут расти в размерах и сложности устройства (тут есть единичные яркие примеры). Но на этом пути крохотных существ ждёт подвох: по мере геометрического роста быстро падает отношение площади поверхности к объёму.

Между тем простые клетки генерируют энергию при помощи покрывающей их мембраны. Так что в крупной прокариотической клетке может быть полным-полно места для новых генов, но ей просто не хватит энергии для синтеза белков по этим "инструкциям".

Простое увеличение складок внешней мембраны положение не особо спасает (хотя и такие клетки известны). С данным способом наращивания мощности увеличивается и число ошибок в работе энергетической системы. В клетке накапливаются нежелательные молекулы, способные её погубить.

Митохондрии — блестящее изобретение природы. Увеличивая их количество, можно наращивать энергетические возможности клетки без роста её внешней поверхности. При этом каждая митохондрия обладает ещё и встроенными механизмами контроля и ремонта.

Сравнение энергетики разных клеток и их схемы. a) – средний прокариот (Escherichia), b) – очень крупный прокариот (Thiomargarita) и (c) средний эукариот (Euglena). На диаграммах показаны (сверху вниз): мощность (ватты) на грамм клетки (d), мощность (фемтоватты) на один ген (e) и мощность (пиковатты) на гаплоидный геном (f) (иллюстрации Nick Lane, William Martin/Nature)Авторы работы посчитали, что средняя эукариотическая клетка теоретически может нести в 200 тысяч раз больше генов, чем средняя бактерия. Эукариот можно представить как библиотеку с большим числом полок — заполняй книгами вволю. Ну а более протяжённый геном — это основа для дальнейшего совершенствования строения клетки и её метаболизма, появления новых регуляторных цепей.

По вычислениям Лейна и Мартина, на каждый ген своего наследственного кода эукариоты располагают на четыре-пять порядков большим запасом энергии, чем бактерии. С этой точки зрения бактерии находятся на дне энергетической пропасти, выбраться из которой они не могут.

Переход клеток к выработке энергии с помощью митохондрий можно сравнить с промышленной революцией. Вместо того чтобы линейно наращивать размер мануфактуры, клетки пошли на качественное изменение: они построили "завод" и поставили в него ряды специализированных "станков".

Потому, несмотря на миллиарды лет существования, прокариоты и поныне остались относительно простыми существами, а эукариоты давным-давно изобрели новые средства передачи сигналов между клетками и шагнули в сторону многоклеточных форм жизни. Нас с вами.

Теория европейских учёных, кстати, может пригодиться и в оценке вероятности существования сложных форм жизни на других мирах.

Дело в том, что примеры поглощения бактериями других клеток — крайне редки. Это означает, что, однажды возникнув, жизнь на многие эоны может задержаться на простой одноклеточной стадии. До тех пор, пока счастливый случай не поможет ей изобрести внутриклеточные энергетические фабрики. "Основные принципы являются универсальными. Даже инопланетянам необходимы митохондрии", — заключает Лейн. 

Источник: MEMBRANA

Эволюцию современных опоссумов со времён вымирания динозавров отследила международная команда исследователей из США, Германии и Швейцарии. Среди прочего полученные данные показывают, что Северная Америка, возможно, является родиной всех ныне живущих сумчатых.

Челюсть Mimoperadectes houdei (фото Ines Horovitz et al.) Работа, опубликованная в свободном доступе в журнале PLoS ONE, описывает новый вид так называемых peradectids, родственной современным опоссумам группы сумчатых, известной в основном по окаменелостям, найденным в Северной Америке и Евразии.

Учёные провели подробную компьютерную томографию черепа Mimoperadectes houdei, получив множество данных о внутренней анатомии зверька. Сканирование подтвердило эволюционную связь с ныне живущими опоссумами, обнаружив достаточно много схожих черт (иллюстрация Ines Horovitz et al., фото Jeff Gage)Животные данного семейства впервые появились на Североамериканском континенте около 65 миллионов лет назад, примерно во время вымирания динозавров. Найденный в бассейне Вайоминг череп существа, получившего имя Mimoperadectes houdei, сохранился достаточно хорошо, несмотря на возраст в 55 миллионов лет.

Большинство североамериканских сумчатых, живших в палеоцене и раннем эоцене (то есть в период с 56 до 48 миллионов лет назад), были значительно меньше по размеру, чем вновь открытый вид.

Другой любопытный зверёк, анализируемый в исследовании, – это пара Herpetotherium — представителей группы Herpetotheriidae, жившей 30 миллионов лет назад и оставившей два прекрасно сохранившихся скелета. Авторы работы доказывают, что данная группа – сестринская для всех сумчатых и может добавить новые ключи к пониманию эволюции последних.

Изучив и сравнив данные ископаемые, биологи пришли к выводу, что 65 миллионов лет – это минимальная планка, когда произошёл эволюционный раскол между предком опоссумов и родоначальником всех остальных сумчатых.

По версии авторов новой работы, сумчатые мигрировали из Северной Америки в Южную, а далее – в Антарктиду и Австралию, которые когда-то были соединены.

Сделанная художником реконструкция того, как могли выглядеть (A) Herpetotherium и (B) Mimoperadectes (иллюстрация Jorge Gonzalez). Интересно, что североамериканские сумчатые вымерли в начале миоцена, около 20 миллионов лет назад. Однако через Панамский перешеек около 3 миллионов лет назад два вида опоссумов из Южной Америки перебрались в Северную, вернув ей сумчатых вновь.

"В некоторых районах Северной Америки и сегодня опоссумы – самые распространённые млекопитающие, — говорит соавтор исследования Джонатан Блох (Johathan Bloch) из университета Флориды. – А эти окаменелости — ровесники динозавров, они наглядно показывают нам, как глубоки корни опоссумов в этой земле".

В своей статье Джонатан и его коллеги из университетов Бонна (Universität Bonn) и Цюриха (UZH), а также музея естествознания Касселя (Naturkundemuseum im Ottoneum – Kassel) отмечают, что в начале кайнозоя Северная Америка сыграла важную роль в эволюции сумчатых и, вероятно, даже была центром происхождения ныне живущих сумчатых в целом и опоссумов в частности.
Читайте также о древнейшем сумчатом Европы и результатах расшифровки генома опоссума.

Источник: MEMBRANA