В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the Royal Society B, зоотехники из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, Королевского колледжа Лондона и Чикагского университета обнаружили, что в развитии опоссумов скрыта одна из возможных версий эволюции. путь, который вел от простых ушей рептилий к более сложным и чувствительным структурам млекопитающих, включая человека.Три крошечные кости в среднем ухе млекопитающих образуют механизм, который преобразует звуковые колебания воздуха в электрические импульсы, воспринимаемые мозгом. Три из этих костей известны под названиями, описывающими их форму на латинском или английском языках: молоток (молот), наковальня (наковальня) и стремени (стремени).
В более простых ушах рептилий, а также у общих предков обеих групп, только стремечко находится в среднем ухе, в то время как аналоги молоточка и наковальни образуют часть челюсти.Резкий контраст между точной структурой этих крошечных костей млекопитающих и их не слуховых копий рептилий привлек внимание адъюнкт-профессора биологии животных Карен Сирс и докторанта Дэниела Урбана, который руководил исследованием.
Sears является членом Института геномной биологии Карла Р. Вёза (IGB); Урбан — член IGB.«Мы пришли к этому проекту благодаря подходу эволюционной биологии развития (evo-DevO), который рассматривает развитие организма … чтобы помочь понять его эволюционную историю», — сказал Урбан, объясняя свой экспериментальный подход. Интересным аспектом проекта для него было то, что он объединил «аспекты палеонтологии, клеточной и молекулярной биологии, биологии развития и т. Д.». Мы смотрим на проблему с разных сторон, используя все эти методы для решения головоломки. . "Когда кости среднего уха млекопитающих развиваются, они начинаются как часть хрящевой дуги, из которой состоит челюсть эмбриона.
У рептилий эти структуры остаются связанными с челюстью, поскольку в процессе развития хрящ постепенно превращается в кость. У млекопитающих клетки в части развивающейся челюсти, называемой меккелевским хрящом, исчезают по мере роста животного, освобождая молоток и наковальню (молоток и наковальню), чтобы занять свои позиции в среднем ухе.Чтобы лучше понять, как могло развиться ухо млекопитающих, Сирс, Урбан и их коллеги решили изучить серого короткохвостого опоссума, маленького и харизматичного южноамериканского сумчатого, у которого ключевые этапы развития челюсти и уха происходят постепенно и позже. рождение.Группа сначала подробно описала анатомическую прогрессию развития среднего уха в своих опоссумах, сделав снимки, которые выявили меняющуюся архитектуру хряща и кости.
Они заметили, что развитие структур в развивающихся челюстях и ушах опоссума, по-видимому, воспроизводит эволюционное развитие этих структур в летописи окаменелостей млекопитающих.«Было поистине замечательно, насколько хорошо стадии развития нашего существующего модельного организма опоссума соответствовали переходным окаменелостям … это делает наш исследуемый организм, серый короткохвостый опоссум, фантастической живой моделью, помогающей в понимании развития давно вымершие таксоны ", — сказал Урбан. «Используя этот современный аналог, мы можем узнать гораздо больше об этих более ранних видах и происхождении млекопитающих».
Команда также исследовала изменения в активности генов и отдельных клеток, которые произошли во время разрушения меккелевского хряща. Они определили набор генов, повышенная активность которых коррелировала с самоуничтожением клеток, соединяющих будущую челюсть с будущим ухом.Среди этих генов исследователи сосредоточили внимание на гене под названием TGF-? для дальнейшего расследования. Когда они лечили развивающиеся опоссумы лекарством, блокирующим передачу сигналов TGF-? белка, гибель клеток меккелевского хряща была предотвращена, а молоток и наковальня остались частью челюсти.
С одним изменением активности генов, эта деталь анатомии, казалось, отошла назад во времени эволюции.TGF-? Также известно, что передача сигналов играет роль в развитии среднего уха мышей.
Однако распад клеток меккелевского хряща в этом исследовании опоссумов происходил по другому механизму, нежели тот, который наблюдался у мышей: клетки самоуничтожались, а не были поглощены другими клетками.«Было удивительно и интригующе найти доказательства того, что два разных клеточных механизма могут быть ответственны за отделение элементов среднего уха от челюсти у плацентарных и сумчатых млекопитающих … в сочетании с предыдущими ископаемыми доказательствами это означает, что [среднее ухо млекопитающих] имеет в общей сложности независимо эволюционировала как минимум четыре раза ", — сказал Урбан. «Поначалу это могло показаться невероятным, за исключением того, что когда мы проводили функциональное тестирование, мы показали, что эта связь (между средним ухом и челюстью) на самом деле может быть сохранена или нарушена при относительно незначительном изменении экспрессии одного гена».Эта способность одного молекулярного изменения, которое может быть вызвано случайной мутацией в ключевом гене, изменить траекторию развития, дает один из возможных ответов на вопрос, как могло развиться ухо.
Хотя в настоящем исследовании группы не выяснялось, почему это изменение могло быть адаптивным, Урбан предложил одну гипотезу, объясняющую успешное распространение среди множества популяций ранних млекопитающих, которые примерно напоминали его опоссумов, поедающих мучных червей.«Улучшенная слуховая чувствительность этих недавно освобожденных косточек среднего уха была бы замечательным благом для ранних млекопитающих.
Большинство из них были бы очень маленькими ночными насекомоядными», — сказал он. «Ограничение активности в ночное время помогло бы им не стать добычей, и в то же время улучшенный слух помог бы им в их собственных хищных способностях».