Жаберные щели относятся к тем анатомическим структурам, которые биологи изучают уже более полутора веков. Казалось бы, о них известно всё: они есть у рыб, присутствуют у ланцетников и оболочников, а у позвоночных из связанных с ними структур впоследствии возникли челюсти, слуховые косточки и многие другие элементы головы и шеи.
По сути, это отверстия, соединяющие полость глотки с внешней средой. Через них проходит вода, из которой рыбы получают нужный им для дыхания кислород. Но как мог возникнуть такой орган и что было до него?
У истоков вторичнорортых
Поиск ответа на этот вопрос привёл учёных к далёким предкам позвоночных и даже к животным, которые на первый взгляд никак не связаны с рыбами и другими хордовыми.
На самом-то деле, не стоит недооценивать значение жаберных щелей. Как уже говорилось выше, именно из первой жаберной дуги возникли челюсти. Другие дуги дали начало частям подъязычного аппарата, хрящам гортани и косточкам среднего уха. Даже у человека на ранних стадиях эмбрионального развития появляются зачатки глоточных дуг — далёкое наследие древних предков.
Получается, что история жаберных щелей тесно связана с происхождением многих органов, которые мы обычно даже не ассоциируем с дыханием.
Поэтому понять происхождение жаберного аппарата — значит сделать ещё один шаг к пониманию эволюции позвоночных в целом.
Проблема заключается в том, что у большинства современных животных просто нет структур, которые можно было бы уверенно назвать промежуточным этапом между обычной стенкой тела и полноценной жаберной щелью. Поэтому исследователям пришлось искать подсказки среди самых древних ветвей эволюционного древа.
Жаберные щели встречаются не только у позвоночных. Они есть также у ланцетников, оболочников (хордовых, не относящихся к позвоночным) и полухордовых. Все эти группы относятся к большой ветви вторичноротых животных.
Вторичноротые — одна из двух крупнейших ветвей двусторонне-симметричных животных. Своё название эта группа получила из-за особенностей эмбрионального развития: у её представителей первичное отверстие зародыша превращается в анальное, а рот формируется позже в другом месте.
И вот, судя по всему, происхождение жаберных щелей может восходить к общему предку всех вторичноротых животных.
К вторичноротым относятся три крупные группы: хордовые, полухордовые и иглокожие. С первыми двумя всё относительно понятно: у них жаберные щели присутствуют либо во взрослом состоянии, либо на определённых стадиях развития. Но вот современные иглокожие — морские звёзды, морские ежи и их родственники — такими структурами не обладают.
На первый взгляд это противоречит гипотезе об общем происхождении жаберных щелей. Однако данные палеонтологии внесли в эту картину новые детали. Среди древних кембрийских иглокожих обнаружены формы, имевшие отверстия, которые некоторые исследователи рассматривают как возможные гомологи жаберных щелей. Если такая интерпретация верна, то общий предок вторичноротых уже мог обладать подобными структурами, а современные иглокожие впоследствии их утратили.
Но даже если принять эту идею, главный вопрос остаётся открытым: из чего возникли сами жаберные щели?
Особый интерес для исследователей представляют кишечнодышащие — морские полухордовые, живущие в донных норах.
Именно их строение позволило сформулировать одну из наиболее необычных гипотез происхождения жаберных щелей.
У кишечнодышащих жаберный аппарат не является исключительно дыхательной структурой. В области первых жаберных мешков располагаются органы выделения — нефридии. Кроме того, в стенках этих мешков присутствуют подоциты — специализированные клетки, участвующие в фильтрации жидкости.
Получается любопытное сочетание признаков. Структуры, которые мы воспринимаем как элементы жаберного аппарата, оказываются тесно связаны с механизмами выделения.
Само по себе это ещё ничего не доказывает. Однако такое строение заставляет задуматься о том, что связь между жаберными щелями и выделительной системой может иметь очень древнее происхождение.
Наиболее интересная часть гипотезы связана с реконструкцией общего предка вторичноротых.
Авторы предполагают, что этот организм обладал сегментированным, или метамерным, строением. Его тело состояло из повторяющихся участков, каждый из которых содержал целомические полости, элементы выделительной системы и связанные с кишечником выросты.
Подобная организация могла выглядеть довольно непривычно, и более характерной для какого-нибудь червя, однако она хорошо вписывается в представления о строении многих древних двусторонне-симметричных организмов.
Если такой предок действительно существовал, то в каждом сегменте его тела находились сразу несколько структур, потенциально способных взаимодействовать друг с другом.
Но, по мере того, как необходимость в разных сегментах отпадала и тело животного становилось более однородным, какие-то органы, находящиеся на них, могли сращиваться друг с другом. В какой-то мере, наследие сегментированного тела мы можем увидеть у любого позвоночного животного - голова, шейный отдел, туловище, прикреплённые к нему конечности и, иногда, хвост.
Как кишечник и выделительная система создали новый орган
Согласно рассматриваемой гипотезе, решающую роль сыграли кишечные карманы и нефридии.
Кишечные карманы представляли собой выпячивания стенки кишечника, уходившие в стороны от основной пищеварительной трубки. Нефридии обеспечивали удаление продуктов обмена и были связаны с полостями тела.
Постепенно между этими структурами могли возникать новые анатомические связи. В результате образовывались каналы, соединявшие кишечные выросты, целомические полости и внешнюю среду.
На этом этапе речь ещё не шла о жабрах в привычном понимании слова. Однако именно такие каналы могли стать основой для дальнейшего формирования жаберных щелей.
Иными словами, гипотеза предполагает, что жаберные щели возникли не из какого-то одного готового органа. Они стали результатом объединения нескольких ранее существовавших систем организма.
Такое объяснение позволяет понять, почему у некоторых современных животных жаберный аппарат сохраняет признаки связи как с дыханием, так и с процессами фильтрации и выделения.
Идея, опередившая своё время
Любопытно, что сама мысль о связи жаберных щелей с выделительными структурами не является новой.
Ещё в XIX веке немецкий зоолог Антон Дорн предположил, что происхождение жаберных щелей может быть связано с древними нефридиями и кишечными выростами. Однако в его распоряжении не было ни современных данных по эмбриологии, ни сведений о строении многих групп животных, которые известны сегодня.
Поэтому гипотеза Дорна долгое время оставалась скорее интересным предположением, чем полноценной научной концепцией.
Лишь спустя более века накопленные данные позволили вернуться к этой идее и рассмотреть её уже на новом уровне.
Почему эта гипотеза важна
И хотя вопрос происхождения жаберных щелей остаётся предметом научной дискуссии, предложенная реконструкция интересна тем, что связывает в единую картину данные сравнительной анатомии, эмбриологии, палеонтологии и изучения современных полухордовых.
Главное её достоинство заключается в том, что она предлагает конкретный механизм возникновения структуры, происхождение которой долгое время оставалось загадкой.
История жаберных щелей показывает, что новые органы далеко не всегда появляются из ничего. Иногда они возникают в результате постепенного объединения уже существующих систем организма. И если рассматриваемая гипотеза верна, то один из важнейших признаков вторичноротых животных появился именно таким путём — благодаря взаимодействию древних кишечных карманов, целомических полостей и выделительных органов далёких предков.