Почему у нас пять пальцев на руках и ногах?
Популярная детская песенка This Little Piggy — это воспоминание из раннего детства для многих из нас. Это стихотворение о пяти поросятах, каждый из которых соответствует одному из наших пальцев на руках или ногах. Детям оно нравится, но если задуматься, эта простая песенка вызывает любопытный вопрос: почему у людей на каждой из четырёх конечностей по пять пальцев?
Простой ответ — так мы эволюционировали, но определить, откуда и как появились эти пальцы, — это другая история. «Когда вы говорите о том, почему у нас пять — не шесть и не четыре — пальцев на руках и ногах, я думаю, это довольно сложный вопрос», — говорит Тёцуя Накамура, доцент кафедры генетики Университета Рутгерса. Чтобы найти ответ, нам нужно вернуться на миллионы лет назад.
Всё начинается с общего предка
Все четвероногие, включая амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, произошли от общего предка — рыбы. «Если вы спросите: «Откуда мы произошли?» Наш общий предок был рыбой», — говорит Накамура.
Рыбы изначально развили конечности, чтобы ходить по суше во время девонского периода Земли, который произошёл примерно 360 миллионов лет назад. Относительно недавно (с точки зрения эволюции) первые четвероногие существа — у которых было до восьми пальцев на каждой конечности — утратили лишние пальцы. С тех пор пять пальцев на руках и пять на ногах стали стандартной чертой для первых четвероногих.
Это вымершее девонское рыбоподобное водное животное, Tiktaalik roseae, было одним из первых позвоночных на суше.
Этот пятипалый план вскоре был закодирован в генах Hox наших ранних предков — наборе основных генов-регуляторов, которые действуют как генетический план, гарантируя, что части тела, органы и конечности оказываются в нужных местах. С тех пор эти гены Hox определяли, что все наши общие предки развились из этого пятипалого плана.
Конечно, не у каждого живого позвоночного есть пять пальцев на руках и ногах, но более чем у 99% четвероногих (всех наземных видов с позвоночником) одинаковая пятипалая структура костей. Сюда входят морские львы, киты и тюлени, у которых есть пять пальцевидных выступов, спрятанных внутри их плавников, и летучие мыши, рождённые с перепончатыми пальцами, которые образуют структуру их крыльев. Даже у эмбрионов лошадей и птиц сначала есть по пять пальцев, прежде чем они снова разовьются в копыта или (в случае птиц) в меньшее количество пальцев.
Только один из 500–1000 человек рождается с дополнительными пальцами или пальцами на ногах. Эта врождённая особенность известна как полидактилия и связана с геном, известным как sonic hedgehog (вы правильно прочитали!).
Прослеживая это до рыб
И всё же только в 2016 году группа учёных из Чикагского университета определила, как лучи плавников рыбы (костные скелетные элементы, которые обеспечивают структуру, гибкость и дополнительную поддержку плавникам рыб) в конечном итоге превратились в пальцы и пальцы ног. Накамура был членом команды.
Учёные использовали крошечных лучепёрых рыб, таких как зебрафиш, медака и других тропических рыб, которых часто можно встретить в домашних аквариумах. Затем они использовали CRISPR-Cas, метод редактирования генов, который позволил им изменить ДНК рыб, чтобы удалить гены Hox, необходимые для развития конечностей.
Сравнивая эмбриональные клетки у этих мутантных рыб и у мышей по мере их роста и развития, учёные в конце концов определили генетическую связь между ними. «Мы обнаружили, что наши пальцы и лучи плавников рыб используют одни и те же гены Hox и их функции для развития», — говорит Накамура. Другими словами, лучи плавников рыб и наши пальцы происходят из одного и того же генетического набора инструментов.
Этот массивный скелет горбатого кита показывает пять костей, похожих на пальцы, спрятанных внутри массивных плавников животных.
Что это всё значит
Хотя их исследования установили прямую корреляцию между лучами плавников рыб и пальцами четвероногих, многое ещё предстоит узнать о том, как у людей развились пальцы и пальцы ног. «Мы обнаружили, что наши пальцы, вероятно, произошли от лучей плавников, несмотря на то, что это очень разные структуры», — говорит Накамура.
«Многие вопросы остаются», — говорит он. «Например, как они превратились в пальцы? И какие гены и молекулы регулировали это преобразование?» С появлением в последнее десятилетие более совершенных инструментов для редактирования генов, таких как CRISPR-Cas9, Накамура считает, что ответы могут появиться раньше, чем позже.
Другие общие черты
По словам Накамуры, четвероногие и рыбы генетически похожи и в других отношениях. Например, задние конечности наземных позвоночных произошли от тазовых плавников предковых лопастепёрых рыб, а плечевые пояса (костная структура, которая образует основу наших плеч) развились из жаберных дуг рыб, которые представляют собой скелетные петли, поддерживающие жабры рыбы для дыхания и питания.
Почему у нас две ноздри вместо одной большой дыры? Почему большинство людей правши? Можно ли навредить себе, если скосить глаза? Мы спросили оптометриста. Были ли динозавры ядовитыми? Почему у лошадей глаза по бокам головы?
«Хотя у рыб нет шеи», — говорит Накамура, — «как-то во время эволюции люди отделили кость черепа от плечевого пояса, создав пространство для шеи». Это позволило нам двигать головой независимо от тела для таких вещей, как охота и сканирование горизонта.
Это то, что известно как «эволюционная инновация» — новая черта или особенность, которая позволяет организмам лучше функционировать и адаптироваться, подобно тому, как у нас появились пальцы и пальцы ног. «Мы взяли структуры, которые существовали у рыбных плавников», — говорит Накамура, — «и наше тело изменило их развитие со временем до тканей, похожих на пальцы, которые больше подходят для жизни на суше».
Просто число
Что касается того, почему у нас пять пальцев на руках и пять на ногах? Это остаётся без ответа, но число действительно подходит для хорошей детской песенки.