Что общего у чешуи пера и волоса
У перьев, волос и чешуи нашли общего предка
Учёные доказали гипотезу об общем происхождении шерсти млекопитающих, птичьих перьев и чешуи рептилий.
Наружные покровы рептилий, млекопитающих и птиц во многом похожи. Однако палеонтологических свидетельств о переходных формах между ними нет. Не обнаружено у рептилий и плакод — анатомических структур на поверхности эмбриона, из которых у птиц и млекопитающих развиваются перья и шерсть. Впрочем, недавняя работа швейцарских учёных показала, что плакоды у рептилий всё-таки есть, и они имеют самую тесную связь с формированием чешуи. Об этом рассказывается в статье, опубликованной журналом Science Advances.
Чаще всего под плакодами подразумевают особые образования в голове эмбриона в месте контакта эктодермы и нервной трубки, из них затем образуются хрусталик глаза, обонятельный эпителий и органы вестибулярного аппарата, однако плакоды имеют и второе значение — области эктодермы, из которых формируются впоследствии волосы или перья.
Авторы публикации Мишель Милинкович (Michel Milinkovitch) и Николас Дипуи (Nicolas Di-Poï) из Университета Женевы отмечают, что отсутствие плакод у рептилий трактовалось в рамках двух гипотез. Согласно первой, плакоды могли появиться у птиц и млекопитающих независимо, уже после их отделения от общих предков с рептилиями. Согласно второй, плакоды существовали ещё у общих предков рептилий, млекопитающих и птиц, хотя пресмыкающиеся их позднее утратили. По мнению учёных, обе версии оказались неверны.
Биологи изучили эмбрионы представителей различных групп пресмыкающихся: змей (маисового полоза), ящериц (бородатой агамы) и крокодилов (нильского). Электронная микроскопия позволила рассмотреть зародыши во всех деталях и на разных стадиях развития, увидев появление плакод. Авторы продемонстрировали, что, хотя эти структуры значительно мельче, чем у птиц или млекопитающих, у них есть все необходимые свойства: они содержат столбчатые эпителиальные клетки и характерные белковые маркеры, а на месте каждого плакода впоследствии образуется чешуйка. Видимо, лишь трудности наблюдения до сих пор не позволяли исследователям заметить их у рептилий.
Связь чешуи с перьями и волосами подтвердило и изучение бородатых агам с редкой мутацией — делецией (утратой) в гене регуляторного белка эктодисплазина А (EDA). Мутация в этом гене у людей вызывает тяжёлые нарушения формирования кожных структур и волос, аномалии зубов, ногтей и слизистых (ангидротическую эктодермальную дисплазию). Как показали швейцарские учёные, у эмбрионов гомозиготных (имеющих две копии этого гена) ящериц плакоды не формировались вовсе, и рептилии оказывались лишены чешуи. У ящериц, несущих лишь одну копию мутантного EDA, плакод было меньше, а чешуя покрывала кожу лишь частично.
Доказано: волосы, перья и чешуя действительно имеют общего предка
Ученые из Швейцарии показали, что волосы, чешуя и перья гомологичны и что они произошли от общего предка — рептилии. Такой вывод авторы работы, опубликованной в журнале Science Advances, сделали на основе новых данных эмбрионального развития, где они обнаружили общие между волосами, перьями и чешуей молекулярные и микроанатомические участки. Об этом рассказывает пресс-релиз Университета Женевы.
Ученым давно известно, что волосы млекопитающих и птичьи перья развиваются из первобытной структуры плакоды — некоего утолщения эпидермиса со столбчатыми ячейками, которые уменьшают их скорость пролиферации и вырабатывают очень специфичные гены. Этот факт долгое время озадачивал эволюционистов, ведь птицы и млекопитающие — не близкородственные группы. Они возникли из разных линий рептилий.
В 2015 году ученые из Йельского университета (США) опубликовали статью, где показали, что чешуя, волосы и перья имеют общую молекулярную подпись во время развития. Эта статья дала пищу давнему спору между двумя школами — приверженцы одной школы защищают гипотезу о том, что эти молекулярные подписи свидетельствуют об общем эволюционном происхождении от придатков кожи, другие же предполагают, что просто для развития разных придатков кожи использованы одни и те же гены.
В новой работе биологи Николя Ди-Пой (Nicolas Di-Poï) и Мишель Милинкович (Michel C. Milinkovitch) из отдела генетики и эволюции Университета Женевы ((UNIGE) и Швейцарского институт биоинформатики (SIB) поставили точку в этой дискуссии. Они показали, что чешуя у рептилий развилась из плакоды со всеми анатомическими и молекулярными подписями, аналогичными плакодам птиц и млекопитающих. Ученые проанализировали морфологические и молекулярные характеристики кожи в процессе эмбрионального развития крокодилов, змей и ящериц.
Авторы статьи изучили бородатых драконов. Этот вид ящериц имеет три формы. Первая форма — это обычный дикий вид. Вторая форма имеет мелкую чешую из-за генетической мутации, а третья форма вообще голая, без чешуи. Сравнивая геномы трех форм бородатых драконов, ученые нашли испорченный мутацией ген, который ведет к разнообразию форм. Это эктодисплазин-А (EDA), который, когда мутирует, лишает бородатых драконов чешуи. Мутация этого же гена в людях и мышах вызывает существенные отклонения в развитии зубов, желез, ногтей и волос. Теперь показано, что когда EDA не работает в ящерицах, у них не развиваются нормальные чешуйные плакоды. Таким же образом и млекопитающие и птицы, когда страдают от сходных мутаций в том же гене, не могут нормально развить волосяные и перьевые плакоды. Эти факты указывают на общее происхождение чешуи, перьев и волос.
На следующем этапе работы ученые и их коллеги по всему миру, которые занимаются этим вопросом, намерены расшифровать тонкие механизмы, которые лежат в основе формы кожных придатков. Как эта древняя чешуйчатая кожа привела к морфологическому разнообразию чешуи, перьев и волос?
Ранее Мишель Милинкович с коллегами показал, что хамелеон меняет свой цвет путем активной перестройки пространственной структуры нанокристаллов в коже.
Волосы, перья и чешуя имеют общего предка
Группа ученых из Швейцарии сумела доказать, что волосы, чешуя и перья гомологичны и произошли от общего предка — рептилии. Теоретические предпосылки и результаты экспериментов были подробно освещены на страницах журнала Science Advances и кратко — в пресс-релизе, представленном от имени Университета Женевы. Сегодня мы расскажем о том, что послужило доказательством столь смелого утверждения и какой вывод для дальнейших исследований позволяет сделать проделанная работа.
Большинство млекопитающих, птиц, рептилий легко распознать по волосам, перьям и чешуе, соответственно. Тем не менее, отсутствие у ископаемых переходных форм между чешуйками и волосками и существенные различия в их морфогенезе и белковой композиции стали причиной споров относительно их потенциальной общей родословной, ведущихся в течение многих десятилетий.
Ученым давно известно, что волосы млекопитающих и перья птиц развиваются из первобытной структуры плакоды — своеобразного утолщения эпидермиса со столбчатыми ячейками, уменьшающие скорость их пролиферации и вырабатывающие специфические гены. Это наблюдение, опять таки, провело грань между сторонниками единого предка у птиц и млекопитающих и противников такого предположения, утверждающих что те и другие — это абсолютно разные виды с различной родословной. При этом сторонники последней версии как-то закрыли глаза на то, что она вынуждает принять тот факт, что два совершенно разных, по их утверждениям вида «изобрели» плакоду независимо друг от друга.
В 2015 году ученые из Йельского университета (США) опубликовали статью, в которой продемонстрировали, что чешуя, волосы и перья на раннем этапе развития имеют общую молекулярную подпись. Опубликованные результаты вновь подлили масла в огонь давнего спора существующего между двумя школами эволюционистов. Приверженцы одной из которых продолжали отстаивать жизненность гипотезы о том, что идентичные молекулярные подписи свидетельствуют об общем эволюционном происхождении придатков кожи, а сторонники другой, что для развития разных придатков кожи в ходе эволюции на каком-то этапе одни и те же гены были использованы повторно.
Последняя работа биологов Николя Ди-Пой (Nicolas Di-Poï) и Мишель Милинкович (Michel C. Milinkovitch) из отдела генетики и эволюции Университета Женевы (UNIGE) и Швейцарского института биоинформатики (SIB) позволила положить конец этой многолетней дискуссии. Ученые доказали, что чешуя у рептилий развилась из плакоды с анатомическими и молекулярными подписями, аналогичными подписям плакод птиц и млекопитающих на ранних стадиях развития.
В ходе исследований были проанализированы морфологические и молекулярные характеристики кожи в процессе эмбрионального развития крокодилов, змей и ящериц. «Наше исследование не только дает новые молекулярные данные, которые дополняют работу американской команды, но и выявляет ключевые микроанатомические факты», — объясняет Мишель Милинкович. — «Действительно, мы определили у рептилии новые молекулярные подписи, идентичные тем, которые наблюдаются при развитии волосков и перьев, а также наличие плакоды анатомической формы, схожей с формой плакоды млекопитающих и птиц. Это указывает на то, что три типа придатков кожи являются гомологичными: чешуя — у рептилий, перья — у птиц, и волосы — у млекопитающих, несмотря на их очень разные конечные формы, эволюционировали от их общего предка, рептилии».
Ключевой ген развития придатков кожи
На следующем этапе исследования авторы работы изучили бородатых драконов, представленных тремя формами. Первая форма — это обычный дикий вид, вторая форма характеризуется меньшими размерами, а третья, в свою очередь, мутировала по двум направлениям со множеством различных дефектов, включая полное отсутствие чешуи. Сравнивая геномы трех рассмотренных подвидов бородатых драконов, ученые сумели определить дефектный ген, который повлек за собой известное разнообразие форм. Это эктодисплазин-А (EDA), мутация которого в конечном счете повлекла за собой освобождение одной из форм бородатых драконов от чешуи.
«Мы определили, что своеобразный внешний вид этих голых ящериц происходит из-за нарушения работы Ectodysplasin-A, гена, мутация которого в организме человека и мышей, как известно, генерирует значительные отклонения в развитии зубов, желез, ногтей и волос», — пояснил Мишель Милинкович. На основании данных исследований и сравнительного анализа швейцарские ученые показали, что у ящериц с мутированным геном EDA структура плакоды нарушается, точно так же, как у млекопитающих или птиц, пораженных подобными мутациями в том же гене не могу развиваться из плакод собственные волосы или перья. Эти данные все вместе когерентно указывают на общее происхождение чешуи, перьев и волос.
Получив столь убедительные свидетельства единства происхождения, ученые намерены продолжить исследования, определить и описать те механизмы, которые лежат в основе развития специфической формы кожных придатков. Это, в свою очередь, позволит дать ответ на другой важнейший вопрос: каким образом древнейший чешуйчатый кожный покров дал начало существующему морфологическому разнообразию чешуи, перьев и волос. «Эти исследования, как мы надеемся, дополнят наше понимание физических и молекулярных механизмов, порождающих сложность и многогранность жизни в ходе эволюции» — резюмировал Малинкович.
Интересно, что ранее, изучая способность хамелеона менять свой цвет, Мишель Малинкович сумел объяснить природу этого удивительного явления активной перестройкой пространственной структуры нанокристалов кожи.
С полным текстом научной публикации можно ознакомиться здесь
Волосы, перья и чешуя действительно имеют общего предка
Ученые из Швейцарии показали, что волосы, чешуя и перья гомологичны и что они произошли от общего предка — рептилии. Такой вывод авторы работы, опубликованной в журнале Science Advances, сделали на основе новых данных эмбрионального развития, где они обнаружили общие между волосами, перьями и чешуей молекулярные и микроанатомические участки. Об этом рассказывает пресс-релиз Университета Женевы.
Ученым давно известно, что волосы млекопитающих и птичьи перья развиваются из первобытной структуры плакоды — некоего утолщения эпидермиса со столбчатыми ячейками, которые уменьшают их скорость пролиферации и вырабатывают очень специфичные гены. Этот факт долгое время озадачивал эволюционистов, ведь птицы и млекопитающие — не близкородственные группы. Они возникли из разных линий рептилий.
В 2015 году ученые из Йельского университета (США) опубликовали статью, где показали, что чешуя, волосы и перья имеют общую молекулярную подпись во время развития. Эта статья дала пищу давнему спору между двумя школами — приверженцы одной школы защищают гипотезу о том, что эти молекулярные подписи свидетельствуют об общем эволюционном происхождении от придатков кожи, другие же предполагают, что просто для развития разных придатков кожи использованы одни и те же гены.
В новой работе биологи Николя Ди-Пой (Nicolas Di-Poï) и Мишель Милинкович (Michel C. Milinkovitch) из отдела генетики и эволюции Университета Женевы ((UNIGE) и Швейцарского институт биоинформатики (SIB) поставили точку в этой дискуссии. Они показали, что чешуя у рептилий развилась из плакоды со всеми анатомическими и молекулярными подписями, аналогичными плакодам птиц и млекопитающих. Ученые проанализировали морфологические и молекулярные характеристики кожи в процессе эмбрионального развития крокодилов, змей и ящериц.
Авторы статьи изучили бородатых драконов. Этот вид ящериц имеет три формы. Первая форма — это обычный дикий вид. Вторая форма имеет мелкую чешую из-за генетической мутации, а третья форма вообще голая, без чешуи. Сравнивая геномы трех форм бородатых драконов, ученые нашли испорченный мутацией ген, который ведет к разнообразию форм. Это эктодисплазин-А (EDA), который, когда мутирует, лишает бородатых драконов чешуи. Мутация этого же гена в людях и мышах вызывает существенные отклонения в развитии зубов, желез, ногтей и волос. Теперь показано, что когда EDA не работает в ящерицах, у них не развиваются нормальные чешуйные плакоды. Таким же образом и млекопитающие и птицы, когда страдают от сходных мутаций в том же гене, не могут нормально развить волосяные и перьевые плакоды. Эти факты указывают на общее происхождение чешуи, перьев и волос.
На следующем этапе работы ученые и их коллеги по всему миру, которые занимаются этим вопросом, намерены расшифровать тонкие механизмы, которые лежат в основе формы кожных придатков. Как эта древняя чешуйчатая кожа привела к морфологическому разнообразию чешуи, перьев и волос?
Чешуя оказалась родственной волосам и перьям
Новое исследование, возможно, поставит точку в дискуссиях о происхождении волос млекопитающих и перьев птиц и их связи с чешуей рептилий. Вероятно, все они происходят из единого источника, связанного с рептилией, жившей 300 миллионов лет назад.
Ранее исследователям уже было известно, что волосы и перья возникают из плакод, вкраплений утолщенной кожи у эмбрионов, формирующихся из особых столбчатых клеток. У эмбрионов рептилий плакоды не были обнаружены, поэтому предполагалось, что чешуя рептилий не связана общим происхождением с волосами и перьями. Поскольку птицы и млекопитающие происходят из двух независимых эволюционных ветвей, в дискуссиях высказывались две гипотезы. Согласно одной, плакоды возникли независимо у птиц и млекопитающих. Другая утверждала, что плакоды были утрачены рептилиями, а у птиц и млекопитающих сохранились.
Генетик Мишель Милинкович (Michel Milinkovitch) из Женевского университета занялся этой проблемой после того, как приобрел в зоомагазине разновидность австралийской бородатой агамы (Pogona vitticeps), лишенную чешуи. Подобные агамы не встречаются в природе, но разводятся для продажи любителям. Мишель Милинкович и его коллега Николя Ди-Пои (Nicolas Di-Poï) установили, что отсутствие чешуи у бородатых агам связано с мутацией в гене эктодиспласина-А (EDA). Ранее было установлено, что мутации в этом гене связаны с отсутствием волос и деформацией зубов и ногтей у людей и лабораторных мышей.
Милинкович и Ди-Пои внимательно исследовали при помощи растрового электронного микроскопа ткани эмбрионов бородатых агам, нильских крокодилов и маисовых полозов. В отличие от предшественников, они сумели обнаружить, что в коже эмбрионов рептилии тоже формируются плакоды, каждый из которых в конечном итоге дает начало одной чешуйке. Поскольку это очень небольшие структуры, их весьма трудно заметить. По словам Милинковича, для этого надо смотреть в нужном месте и в нужное время. У рептилий, имеющих мутацию гена EDA в обеих копиях, плакоды не развиваются и чешуя отсутствует. Если же одна из копий гена работает нормально, то появляется чешуя меньшего размера. Теперь ученые намерены приступить к выяснению эволюционных путей, которые привели к появлению чешуи, перьев и волос в современном виде.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.