Вихід на сушу коштував хребетним здатністю до регенерації

Переселення хребетних із води у наземно-повітряне середовище життя стало поворотним моментом в історії біосфери. Однак цей еволюційний стрибок мав і серйозні побічні ефекти: він привів до втрати здатності відновлювати втрачені частини тіла рептиліями, птахами та ссавцями. У новій статті біологи розглянули генетичні та еволюційні аспекти освоєння суші та з’ясували, що різке послаблення регенерації стало своєрідною «розплатою» за адаптацію тварин до іншого середовища.

Більшість своєї історії життя на Землі насправді було виключно «життям у воді». Ситуація почала змінюватися лише на початку палеозойської ери, коли на суші з’явилися перші примітивні рослини — нащадки зелених водоростей, гриби та безхребетні на кшталт скорпіонів.

Хордові, а точніше — тварини з хребтом, вибралися на берег помітно пізніше, коли там була певна компанія. Перші сліди хребетних на суші залишили «рибоноги» (fishapod) на кшталт тиктааліка, перехідної ланки між рибами та амфібіями.

Пізніше саме хребетні стали найбільшими тваринами наземно-повітряного середовища життя та ключовим компонентом її екосистем. Від першопрохідників-земноводних (або амфібій) відбулися рептилії, а потім ссавці та птахи. Однак панування хребетних на суші обернулося для них втратою: вони набагато гірше регенерують, ніж так звані анамнії (нижчі хребетні) та багато безхребетних.

Справді, риби та амфібії з легкістю і досить швидко відрощують великі частини свого тіла у разі втрати — скажімо, якщо їх хтось відкусив. Наприклад, аксолотль може відновити після ампутації кінцівки, серце та навіть головний мозок.

Зовсім інша річ — рептилії і тим більше птахи зі ссавцями. Є лише окремі винятки на кшталт ящірок, здатних до регенерації хвоста після втрати, зокрема навмисного відкидання. Інші наземні хребетні (амніоти) не можуть повернути собі навіть втрачений палець. Їхні можливості до самовідновлення обмежені загоєнням ран та «відрощуванням» окремих органів, наприклад печінки.

Вчені з ІБХ РАН та РНІМУ – автори нової публікації в журналі Biology Reviews – вирішили з’ясувати, як пов’язана втрата регенеративних здібностей зі зміною середовища життя. Дослідники припустили, що ті різко знизилися через появу у хребетних нових ознак, які були важливішими для освоєння суші: ускладнення імунітету, зроговіння поверхні шкіри, переходу до теплокровності (гомойотермії), а також збільшення розмірів тіла.

Еволюційна перебудова відбилася на геномах тварин: вони втратили безліч генів та регуляторних областей ДНК (енхансерів), які допомагали їхнім предкам. Наразі такі обмеження зафіксовані в геномах вищих хребетних, включаючи людину.

Вчені зазначили, що тварини розучилися відновлювати свій організм помітно раніше, ніж втратили потрібні гени. Загалом таких близько 150 – у риб та амфібій вони потрібні для ранньої стадії регенерації, яка починається одразу після травми. На відміну від генів, які включаються пізніше, ранні гени регенерації не впливають на ембріональний розвиток організму, тому їх видалення не призвело до фатальних для тварин наслідків.

З нової статті також випливає, що найперспективніший спосіб відновити кінцівку в людини — спочатку створити її ембріональний зачаток. Його можна отримати на основі індукованих стовбурових клітин за допомогою тканинної інженерії. Надалі така «заготівля» має зрости у повноцінну руку чи ногу.