"Это стало темой, вызывающей споры, но на самом деле это очень фундаментальный вопрос эволюционной биологии: откуда взялись наши конечности?" — говорит соавтор Кристиан Мосиманн, заведующий кафедрой педиатрии отделения биологии развития Медицинской школы Университета Колорадо.

Этот вопрос — откуда берутся наши конечности? — является предметом споров уже более 100 лет. В 1878 году немецкий ученый Карл Гегенбаур предположил, что парные плавники произошли от хрящевых пластин, называемых жаберной дугой. Другие ученые придерживаются иной гипотезы, считая, что грудные и брюшные плавники появились благодаря парным складкам по бокам туловища рыбы.

"Это очень активная тема для исследований, потому что она долгое время была интеллектуальным вызовом, — говорит Мосиманн. — Многие крупные лаборатории изучали различные аспекты развития и эволюции наших конечностей". Среди этих лабораторий коллеги и соавторы доктора Мосиманна, Том Карни и его команда в Медицинской школе Ли Конг Чиан в Наньянском технологическом университете в Сингапуре.

Погоня за странными клетками

Для Мосиманна исследование того, откуда берутся конечности, является ответвлением от других научных изысканий, проводимых его лабораторией в Медицинском кампусе Университета Колорадо. Его команда использует рыбок данио в качестве модели для изучения развития от клеток до органов. Ученые ищут объяснения тому, как этот процесс может нарушаться, приводя к врожденным аномалиям, в частности к заболеваниям сердечно-сосудистой системы и соединительной ткани.

Попутно Мосиманн и его лабораторная группа наблюдали, как своеобразный тип клеток с чертами соединительной ткани, так называемые фибробласты, имеющие общее происхождение с сердечно-сосудистой системой, мигрировали в конкретные развивающиеся плавники рыбок данио. Оказалось, что эти клетки могут подтвердить связь между конкурирующими теориями эволюции парных придатков.

"Мы всегда знали, что они странные, — говорит ученый. — Были клетки, похожие на фибробласты, которые попали в так называемый брюшной плавник, плавник на животе развивающихся рыбок данио. Подобные клетки фибробластов не вползли ни в какой другой плавник, кроме грудного, который является эквивалентом наших рук. Мы продолжали замечать эти странные фибробласты и много лет не могли понять, что это такое".

Лаборатория Mosimann разработала несколько методов для отслеживания, чтобы достичь лучшего понимания того, как слой эмбриональных клеток, называемый мезодермой латеральной пластинки, способствует разнообразию органов. Мезодерма является отправной точкой развития сердца, кровеносных сосудов, почек, соединительной ткани, а также основных частей конечностей.

Парные плавники, которые являются эквивалентом наших рук и ног, засеяны клетками мезодермы боковой пластинки, тогда как другие плавники — нет. Понимание того, как именно они стали более похожими на конечности, было в центре давних споров.

Разработка новых теорий

Ханна Моран, работающая над докторской диссертацией в области клеточной биологии, стволовых клеток и развития в лаборатории Мосиманна, адаптировала метод отслеживания клеток мезодермы боковой пластинки, чтобы исследователи могли наблюдать за конкретными фибробластами, связанными с развитием конечностей.

"Мой основной исследовательский проект сосредоточен на развитии сердца, а не на развитии конечностей, — говорит Моран, — но существовал генетический метод, который я адаптировала для картирования ранних клеток сердца, и поэтому мы смогли применить его для картирования тех участков, откуда появились таинственные клетки брюшного плавника. И оказывается, они также из мезодермы боковой пластинки".

Это важное открытие помогает лучше понять, как мы получили наши руки и ноги. Все больше данных подтверждает гипотезу парной эволюции придатков, или теорию двойного происхождения.

"Наши данные хорошо вписываются в эту комбинированную теорию, но они также могут стоять отдельно от теории боковых плавников, — говорит Роберт Лалонд, научный сотрудник лаборатории Мозиманна. — Хотя парные придатки возникают из мезодермы боковой пластинки, это не исключает связи с непарными боковыми плавниками".

Наблюдая за механизмами эмбрионального развития и сравнивая анатомию существующих видов, исследовательские группы могут разрабатывать теории о том, как эмбриональные структуры могли развиваться или изменяться с течением времени.

"У эмбриона есть черты, являющиеся следами древности, которые еще не утрачены. Это дает представление о том, как эволюционировали животные, — говорит Мосиманн. — Мы можем использовать эмбрион, чтобы узнать больше об особенностях, которые сохранились до настоящего времени, что позволит нам совершить путешествие в прошлое".

По его словам, тело имеет фундаментальную, врожденную склонность формировать двусторонние структуры. "Наше исследование представляет собой молекулярную и генетическую части головоломки о том, как у нас появились конечности. Это еще один аргумент к более чем 100-летней дискуссии, но теперь у нас есть понимание на молекулярном уровне," — объясняет ученый.

Несмотря на значительную проделанную работу и важность исследования, команда Мосиманна признает, что это ключевой шаг, но не конец пути в дебатах о парных придатках.

"Я бы не сказал, что мы решили вопрос или даже опровергли любую из существующих теорий, — говорит Лалонд. — Скорее, мы предоставили значимые данные для ответа на главный эволюционный вопрос".

Статья опубликована в журнале Nature.