Долгое время считалось, что только сухопутные позвоночные обладают суставами, такими как наши колени, локти и другие подвижные соединения костей скелета, которые разделены щелью, имеют особую смазку для скольжения и оболочки. Ученые считали, что именно этот нюанс помог нашим предкам адаптироваться к жизни вне моря и стать быстрыми и ловкими.
Недавно выяснилось, что строение суставов примерно такое же еще и у костистых рыб (и они даже болеют артритом, как люди), а значит, суставы могли образоваться вместе с первым из них, около 410 миллионов лет назад. Но новейшее исследование, о котором сообщает журнал Science, доказывает, что на самом деле это должно было произойти еще раньше, может быть уже 460 млн лет назад — тогда же, когда появились первые виды с челюстями.
Чтобы понять это, исследователи из Чикагского университета (США) решили проверить морских обитателей, не относящихся к костистым рыбам. Выбор пал на два вида хрящевых рыб, у которых, как следует из названия, вместо костей хрящи: ежового ската Leucoraja erinacea и белопятнистую кошачью акулу Chiloscyllium plagiosum.
Уже было общеизвестно, что хрящи этих рыб в челюстях и в районе таза соединяются через суставы, как кости у иных морских и наземных видов. Но ученые впервые проследили, как образуются суставы у хрящевых, сделав томографию эмбрионов на разных стадиях развития. Выяснилось, что сначала хрящи формируются цельными, но разделяются в процессе развития зародыша. Также исследователи проследили активность генов на разных стадиях развития эмбрионов.
Выяснилось, что разрыв между хрящами происходит из-за мышечных сокращений и сопровождался присутствием специфических сигнальных белков GDF-5 (он же фактор дифференциации роста-5) и бета-катенин. Когда исследователи обработали эмбрионы химическим веществом, которое парализовало развивающиеся мышцы, хрящи челюстей и таза так и не разделились, что подтвердило наблюдения.
«Хотя суставы скатов соединяют хрящи, а не кости, в них экспрессируется тот же набор генов, что и в случае с суставами между костями. Это приводит к выработке смазочных и гидратирующих молекул, таких как гиалуроновая кислота, аггрекан и лубрицин. Это те же молекулы, которые используются при лечении остеоартрита [у людей], в глазных каплях и в смягчающей кожу косметике», — добавляется со ссылкой на научного сотрудника Чикагского университета Нилиму Шарма.
То есть, пришли к выводу ученые, суставы появились еще до разделения живых существ на костистых и хрящевых.
Тогда они пошли дальше, и проверили еще более дальних «родственников» — Petromyozon marinus, или морскую миногу. Эти существа, напоминающие червей, также являются хрещевыми, но они относятся к инфратипу бесчелюстные. Первые миноги появились по крайней мере 300 млн лет назад, задолго до динозавров, а последние наши с ними общие предки существовали около 500 млн лет назад.
«Морские миноги, представитель круглоротых, лишены суставных полостей. Но они экспрессируют белки, связывающие протеогликаны [которые ученые соотносят с суставами], по всему хрящевому скелету, что позволяет предположить, что экспрессия протеогликанов не ограничивается суставным хрящом», — говорится в тексте препринта, опубликованного на сервисе bioRxiv.
Итоговый вывод, к которому пришла команда ученых, после всех этапов исследования состоит в том, что суставы появились одновременно с челюстями.
«Обзор ископаемых видов вдоль эволюционного древа челюстноротых (к которым относят 99% всех современных позвоночных на Земле — прим. Ред.) показывает, что суставы, которые функционируют за счет относительного скольжения сочленяющихся поверхностей, произошли от общего предка всех челюстноротых. Наши результаты помогают понять, как более 400 миллионов лет назад эволюция полостей [между хрящами или костями] и смазанных суставов у древних позвоночных влияли на их поведение и давали новые возможности для поиска пищи и передвижения», — отмечается в статье.
Кроме самого знания о том, когда появились части тела наподобие коленей, ученые надеются найти и знание о том, как сделать так, чтобы колени у современных людей не болели от артрита. Ведь у хрящевых такой проблемы, судя по данным исследований, нет.
«Узнав больше о суставах, как у скатов, мы сможем однажды понять, что такое артрит и другие заболевания суставов у людей и других млекопитающих. Чем больше мы узнаем об этом, тем ближе мы к тмоу, чтобы открыть новые способы для лечения повреждений в суставах человека», — поясняет профессор Нейл Шубин.
Мозг человека удивительно похож на мозг зубастого морского червя возрастом 300 млн лет
Куда делся наш хвост? Объясняет новое генетическое исследование
Вспоминая Дарвина: законы эволюции дали сбой при формировании людей — исследование