Минога помогла понять, как позвоночные животные отрастили голову

Одна из самых больших загадок эволюции — это появление у позвоночных их головы и черепа. Авторы нового исследования утверждают, что решили ее, тщательно изучив эмбриональное развитие одного из самых примитивных современных позвоночных — японской, или тихоокеанской, миноги.

Первые предки хордовых возникли на заре современного этапа эволюции биосферы — в кембрийском периоде. Считается, что они напоминали ланцетников — небольших современных хордовых, у которых нет ни позвоночника, ни даже головы: только хвост, прикрепленный к туловищу.

Вскоре появились и первые позвоночные — скорее всего, они были родственны ныне живущим круглоротым, прежде всего миногам. Эти животные имеют лишь примитивный череп и лишены челюстей, что не мешает им впиваться в тело рыб и паразитировать на них. Оставался большой вопрос: в какой момент позвоночные отрастили голову, то есть приобрели обособленный головной отдел тела и соответствующую часть скелета?

Одни ученые полагали, что голова первого позвоночного (а значит, и всех его потомков) образовалась из модифицированных позвонков, то есть исходно была частью позвоночника. Такое предположение одним из первых высказал еще Гёте. Другие утверждали, что череп появился самостоятельно и независимо, на основе каких-то других структур.

Японские исследователи, которые опубликовали статью в журнале iScience, утверждают, что нашли ответ на этот вопрос. С помощью серий ультратонких срезов и сканирующей электронной микроскопии они подробно изучили эмбриональное развитие японской, или тихоокеанской, миноги Lethenteron camtschaticum. Ранее столь детального и достоверного описания эмбриогенеза миног не было. Исследователи также изучили паттерны генной экспрессии у L. camchaticum, а для сравнения — ланцетников и полухордовых (беспозвоночные животные, близкие типу хордовых).

Динамика развития головной мезодермы миноги / © T. Onai et al., 2023

В центре пристального внимания ученых оказалось развитие мезодермы головы миноги, а также сомитов. Так называют парные мезодермальные образования, расположенные симметрично по бокам хорды и зачаточной нервной системы позвоночных.

Ранее эмбриологи заметили, что в головной части зародышей позвоночных также имеются парные образования — пузырьки, которые напоминают сомиты. Предстояло выяснить, действительно ли те и другие структуры имеют общее происхождение. Авторы новой статьи уверенно опровергли такую связь.

Они подтвердили, что в голове зародыша миноги действительно появляются характерные кластеры (скопления) клеток. Однако они не имеют форму розеток (круга с отверстием посередине), которую чаще всего принимают сомиты позвоночных. Такие розетки важны на последующих стадиях развития зародыша. Более того, в тканях развивающейся миноги не обнаружено активности генов, участвующих в формировании сомитов и разделении зародыша на сегменты — находящиеся друг за другом похожие участки.

Выходит, мезодерма головы позвоночных животных развилась независимо от позвонков и уже на самых ранних этапах эволюции. В то же время сомиты, по мнению авторов исследования, скорее всего, возникли у еще более древнего общего предка вторичноротых — крупной группы животных, куда входят хордовые (включая позвоночных), полухордовые и иглокожие.

Ученые считают, что их статья положит конец длившимся полтора века спорам зоологов о том, появилась голова позвоночных «сама по себе» или была всего лишь производным их позвоночника.