Inimese käed oma viie väleda ja täpse sõrmega tunduvad olevat ainuomaselt meie omad, peaaegu ainult meile. Kui aga bioloogia ja paleontoloogia ühisele arusaamale jõuavad, kerkib esile põnev idee: see, mida me tänapäeval trükkimiseks, autojuhtimiseks või maagiliste trikkide sooritamiseks kasutame, pärineb lõppkokkuvõttes iidsete kalade uimedest. Uimede ja sõrmede arengu mõistmine pole pelgalt teaduslik kurioosum; see on otsene aken meie kõige kaugemasse päritolu.
Viimastel aastakümnetel on mitmed rahvusvahelised meeskonnad tänu sellistele tehnikatele nagu CRISPR/Cas9, arengugeneetika ja uued fossiilid seda evolutsioonilist puslet kokku pannud. Uuringud selliste kaladega nagu medaka ja sebrakala, kopskalade, keda peetakse "elavateks fossiilideks", hiirte ja teiste maismaaselgroogsetega on võimaldanud teadlastel rekonstrueerida, kuidas ujumiseks mõeldud uimelt sai järk-järgult jäse, mis suudab maismaal raskust kanda, ning lõpuks moodustasid need käed selgelt määratletud sõrmedega.
Kaladest tetrapoodideni: kuiva maa vallutamine
Kui me läheme kaugemale tagasi kui 350-380 miljonit aastat, leidsime kindla sugupuu de peces kes hakkasid uurima maist keskkonda, sarnaselt Kalad, mis trotsivad vee ja maa piiriNeed loomad arendasid välja mitmeid olulisi uuendusi: ühelt poolt kopsud, mis olid võimelised õhust hapnikku ammutama; teiselt poolt tugevad uimed, mis hakkasid toimima tugedena madalas põhjas ja hiljem ka pinnal liikumiseks.
Esimesed tetrapoodid – kreekakeelsetest sõnadest „tetra” (neli) ja „podo” (jalad) – ilmusid just selles kontekstis. Nendest neljajäsemelistest selgroogsetest said kõigi tänapäeva kahepaiksete, roomajate, lindude ja imetajate, sealhulgas meie endi esivanemad. Meie tänapäeval oma skeletis äratuntav põhistruktuur (käsivars, küünarvars, randme ja sõrmed) arenes välja selle ülemineku ajal kunagistest uimedest, mis olid kohandatud ainult ujumiseks.
Aja jooksul hakkasid teatud kalade iidsed lobalised uimed – mis olid rikkad lihaste ja tugevate sisemiste luudega – üha enam meenutama segmenteeritud jäset . Esmalt tekkisid käe ja küünarvarrega võrreldavad struktuurid; seejärel ilmusid väikesed lisaluud, mida võib tõlgendada randme ja sõrmede eelkäijatena. Madalas vees elavates elupaikades võimaldasid need käetaolised „visandid“ kaladel taimestikust läbi suruda, põhja toetuda ja suurema kontrolliga liikuda.
Nende ürgsete tetrapoodide esimesed "käed" olid tänapäevastest väga erinevad: mõnel liinil oli jäseme kohta seitse või kaheksa sõrme . Alles umbes 340–360 miljonit aastat tagasi hakkas viie varbaga muster, mis domineerib nüüdseks enam kui 99%-l maismaaselgroogsetest, kinnistuma.
Uimedest käteni: modifitseeritud uim, mitte midagi täiesti uut
Pikka aega eeldati, et käsi tekkis varajastel maismaaloomadel uudse struktuurina . Kuid hiljuti ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) avaldatud töö on selle idee ümber lükanud: käsi ei ilmunud eikusagilt maismaal, vaid on pigem olemasoleva uime põhjalik muundumine.
Tšiili Universidad Mayori integreeriva bioloogia keskuse teadlased koos Sevillas asuva Andaluusia arengubioloogia keskuse ja Chicago ülikooliga keskendusid kalade rinna- ja vaagnauimedele , mis asuvad vastavalt lõpuste ja päraku lähedal. Nende tulemused näitavad, et need uimed on meie käte ja jalgade tõelised eelkäijad ning et käte ehitamise eest vastutav geenide võrgustik oli nendes veejäsemete puhul juba potentsiaalselt aktiivne.
Selle asemel, et kätt ette kujutada kui maismaaeluga seotud radikaalset innovatsiooni, viitavad andmed sellele, et me räägime iidsetest geenivõrgustikest, mida taaskasutati ja täiustati . Uimedelt jäsemetele üleminek seisnes miljonite aastate jooksul kalades juba olemasolevate geneetiliste programmide muutmises, kohandades erinevate regulatiivsete geenide aktiivsuse kestust, intensiivsust ja asukohta.
See vaatenurk on kooskõlas ideega, et inimesed on lihtsalt üks loom evolutsioonilises kontiinuumis . Geneetiliselt jagame suurt osa oma geenidest kaladega (umbes 80%), seega on nende uimede kujunemise uurimine suures osas meie enda bioloogia juurte uurimine.
Hoxi geenid: uimede ja sõrmede põhiplaan
Üks selle loo võtmetegelasi on Hox-geenid – arengugeenide perekond, mis määravad embrüos organite ja jäsemete asukoha . Need geenid toimivad justkui põhiplaanina, näidates, mis moodustub igas kehaosas peast sabani.
Devoni ajastul, umbes 360 miljonit aastat tagasi, hakkasid mõnedel kaladel esinema erineva arvu sõrmedega jäsemeid. Põlvkondade jooksul "külmutasid" nende varajaste tetrapoodide järeltulijad kindla geneetilise mustri: viis sõrme jäseme kohta . See disain, mis on suures osas kodeeritud Hoxi geenidesse, muutus nii edukaks ja stabiilseks, et see on säilinud valdaval enamikul maismaaselgroogsetel.
Isegi liigid, mis väliselt näivad inimese mudelist erinevat, säilitavad selle sisemise organisatsiooni. Vaaladel ja merilõvidel on uimedes skeletid, millel on viis luukiirt, mis võrduvad sõrmedega . Nahkhiirtel on äärmiselt piklikud sõrmed, mis on ühendatud membraanidega, mis võimaldavad neil lennata. Hobustel ja lindudel alustavad embrüod arengut viie sõrmetaolise jäsemega, mis hiljem taanduvad, sulanduvad või ümber kujunevad, et tekiks kõrgelt spetsialiseerunud kabjad või tiivad.
2016. aastal kasutas Chicago ülikooli töörühm – sealhulgas Tetsuya Nakamura – CRISPR-Casi, et muuta jäsemete arenguga seotud geene sellistel kaladel nagu sebrakala ja medaka. Võrreldes nende modifitseeritud kalade embrüonaalseid rakke hiirte omadega, avastasid nad, et samad Hoxi geenid, mis juhivad uimede moodustumist, osalevad ka maismaaselgroogsete sõrmede arengus. Teisisõnu, uimede kiired ja meie sõrmed jagavad sama põhilist „geneetilist keelt“.
Gli3 geeni ja Shh-Gli3 raja roll sõrmede arvus
Teine oluline element käe arengu mõistmiseks on Shh-Gli3 (sonic hedgehog-Gli3) signaalirada . See molekulaarne rada toimib iga jäseme sõrmede arvu peenregulaatorina. Kui selle aktiivsus väheneb, moodustub vähem kui viis sõrme; kui see suureneb, võib areneda rohkem.
Eelkõige Gli3 geenil on võtmefunktsioon: piirata sõrmede arvu viieni . Kui see inimestel või hiirtel muteerub või inaktiveerub, ilmuvad käed ja jalad, millel on kuus kuni üheksa sõrme – nähtus, mida tuntakse polüdaktüüliana. See seisund pole nii haruldane: hinnanguliselt esineb mingil määral polüdaktüüliat ühel 500.–1.000. inimese sünnil ning midagi sarnast on täheldatud ka teistel imetajatel, lindudel ning isegi kassidel ja koertel.
Hispaania riikliku teadusnõukogu (CSIC) meeskond uuris koostöös Universidad Mayori ja Chicago ülikooliga, mis juhtuks, kui Gli3 geen deaktiveeritaks kaladel, millel põhimõtteliselt pole varbaid . Selle uurimiseks kasutasid nad CRISPR/Cas9 tehnoloogiat ja elimineerisid Gli3 funktsiooni medaka kaladel, mis on Jaapani liik, mis on tetrapoodidest eraldatud enam kui 400 miljoni aasta pikkuse evolutsiooni tulemusena.
Tulemus oli üllatav: Gli3 aktiivsuseta medakal arenesid palju suuremad uimed ja rohkem luid . Tavapärase kolme või nelja luulise elemendi asemel võis täheldada seitset või kaheksat, mis meenutab silmatorkavalt imetajate käte ja jalgade polüdaktüüliat. Teatud mõttes on tegemist „uimede polüdaktüüliaga“.
Molekulaarseid ja geneetilisi meetodeid kasutades jõudsid teadlased järeldusele, et kalauimed ja meie sõrmed tekivad väga sarnaste, ehkki mitte identsete mehhanismide abil . Evolutsiooni käigus lisati nendesse regulatiivsetesse võrgustikesse uusi geene, mis vastutavad jäsemete arengu eest, andes aluse keerukale käte ja jalgade skeletile, nagu me seda tänapäeval tunneme.
Need uuringud näitavad, et Shh-Gli3 raja algne funktsioon oli seotud uimede suuruse kontrollimisega . See ürgne funktsioon on säilinud nii kalade uimedes kui ka tetrapoodide sõrmedes, mis viitab sügavale esivanemate seosele nende kahe struktuuri vahel, mis on palju intiimsem kui varem arvati.
Kopsukala „primitiivne käsi”
Sõrmedega käte päritolu veelgi kitsendamiseks keskendus teine uurijarühm väga erilisele kalale: Austraalia kopskalale (Neoceratodus forsteri) , keda peetakse tetrapoodidele lähimaks elavaks kalaks ja kellele pandi hüüdnimeks „elav fossiil“, kuna see sarnaneb liikidega, mis ujusid ajal, mil esimesed neljajäsemelised selgroogsed hakkasid maismaal kõndima.
Nende uimed on suurepärane näide uimedest jäsemeteks ülemineku uurimiseks . Embrüogeneesi ajal juhib geenide komplekt amorfse eellasrakkude rühma transformatsiooni selleks, millest saavad lõpuks täiskasvanud jäsemed. Samad geenid osalevad ka uimede moodustumises, kuid evolutsioonilised muutused selles, kuidas ja millal need aktiveeritakse, põhjustavad kaladel ja tetrapoodidel erinevaid tulemusi.
Meeskond analüüsis kopsukala embrüote võtmegeenide aktiivsust, näiteks hoxa13 ja hoxd13Mõlemad on seotud maismaaselgroogsete "käe" arenguga. Nad avastasid, et hoxa13 aktiveerub uime skeletipiirkonnas, mis on väga sarnane piirkonnaga, kust tetrapoodidel areneb käsi ise. Sellist mustrit polnud uimedes varem kunagi tuvastatud. de peces tetrapoodide suguvõsast kaugemal.
See leid viitab sellele, et uime integreeritud „primitiivne käsi“ eksisteeris juba maismaaloomade esivanematel . Vaatamata sellele tänapäevasele geneetilisele tunnusele sarnaneb kopskala „käsi“ aga vaid osaliselt tetrapoodide käte anatoomiaga, kuna sellel puuduvad selgelt eristunud üksikud sõrmed.
Selle põhjuse mõistmiseks jälgisid teadlased hoxd13 ja teiste sõrmede moodustumisega seotud geenide käitumist. Tetrapoodidel aktiveeritakse hoxd13 dünaamiliselt: see lülitub esmalt sisse tulevases väikeses sõrmes ja seejärel laieneb selle ekspressioon pöidla suunas, koordineerides viie sõrme korrapärast ilmumist . Kopskalade uimedes tuvastati aga esialgu sarnane muster, kuid ilma selle hilisema laienemiseta; geen jäi aktiivseks ainult pooles uimest ja teised geenid, mis peaksid sõrmede moodustumiseks deaktiveeruma, ei järginud tüüpilist tetrapoodide mustrit.
Järeldus on, et neil uimedel on tetrapoodidele omane käelaadne struktuur , kuid neil puudus ikkagi viimane evolutsiooniline "viimistlus", mis võimaldaks neil saada tervete sõrmedega jäsemeid. See kohandus toimus ilmselt hiljem, juba rangelt maismaaloomade liinis.
Seeriahomoloogia: mis on uimed, lõpusekaared ja sõrmed ühised
Uimede ja sõrmede areng kuulub evolutsioonibioloogia laiema kontseptsiooni alla: seriaalne homoloogia . See viitab korduvatele struktuuridele kehas (näiteks selgroolülid, sõrmed või lõpusekaared), millel on ühine arhitektuuriline "teema", kuid millel on vormis ja funktsioonis lokaalseid variatsioone.
Hiljutine väikese rai ( Leucoraja erinacea ) uuring näitas, et kaks erinevat rakupopulatsiooni embrüos võivad täiskasvanul anda alust samadele korduvatele struktuuridele: antud juhul paarisuimed ja lõpusekaared – kõhrelised vardad, mis toetavad kalade ja kahepaiksete lõpuseid. Traditsiooniliselt arvati, et paljud seeriaviisilised homoloogiad tulenevad evolutsiooni käigus ühe kehaosa järkjärgulisest muundumisest teiseks.
Juba 19. sajandil pakkus Karl Gegenbauer välja, et lõualuuliste selgroogsete paardunud jätked – st uimed ja jäsemed – on arenenud lõpusekaarte transformatsiooni teel. Kaasaegsed katsed näitavad aga, et seletus võib minna kaugemale: tähelepanu ei ole suunatud mitte ainult ühe struktuuri muutumisele teiseks, vaid ka funktsionaalse ekvivalentsuse olemasolule rakkude vahel, millest need struktuurid pärinevad.
Rakkude jälgimise tehnikaid ja kiirte embrüote siirdamist kasutades täheldasid teadlased, et rakud, mis tavaliselt moodustavad lõpusekaare skeleti, võivad sujuvalt integreeruda arenevasse uime ja vastupidi. See viitab sellele, et mõlema piirkonna rakkudel on ühine skeleti kompetents: nad suudavad sarnaselt reageerida kohalikele signaalidele, mis käsivad neil "moodustada lõpus" või "moodustada uim".
Selline ekvivalentsus aitab selgitada, miks erinevaid korduvaid kehaosi, näiteks selgroolülisid või sõrmi ja varbaid , võib pidada järjestikku homoloogseteks, isegi kui neil on väga erinev kuju. On tõenäoline, et kui sarnases katses siirdataks nimmepiirkonna selgroolülidega seotud rakud arengu ajal emakakaela piirkonda, reageeriksid need samuti nagu kaelarakud, mis näitab, et nad jagavad seda põhipädevust.
Inimese käsi teiste liikide kontekstis
Selles stsenaariumis lakkab inimkäsi olemast haruldus ja muutub lihtsalt ühise disaini järjekordseks variandiks . Charles Darwin märkis seda juba teoses "Liikide tekkest": inimkäel, muti kaevamissuul, hobuse kabjal, pringli uimel ja nahkhiire tiival on sama põhiline luustruktuur, hoolimata nende äärmuslikest erinevustest välimuses ja kasutuses.
Inimese käe anatoomia on erakordselt peen. Pöial, mida kontrollib kuni üheksa erinevat lihast, mis on kinnitatud käe ja küünarvarre külge, tagab uskumatult täpse haarde ja manipuleerimisvõime. Randme, mis moodustub keerulisest luude ja sidemete võrgustikust, toimib käe ja küünarvarre vahelise ülitäpse liigesena, samas kui närvilõpmed ulatuvad iga sõrme otsani, muutes käe tõeliseks ümbruse anduriks.
Evolutsiooni käigus on jäsemete arenguga seotud geenide komplekti väikesed variatsioonid – sealhulgas Hox-geenid, Shh-Gli3 rada ja muud regulaatorid – tekitanud tähelepanuväärseid kohandusi. Nahkhiirte pikad, ujulestadega sõrmed lendamiseks, modifikatsioonid, mis vähendavad funktsionaalseid varbaid hobuste üheks kabjaks, või delfiinidel võimsateks liikumispindadeks muutunud uimed – kõik sama geneetilise "komplekti" abil.
Teadlased on tuvastanud spetsiifilised geenid, mis kujundavad käe teatud osi: mõned reguleerivad randme kuju, teised iga sõrme suhtelist pikkust ja veel teised lamedate ja kõverate küüniste eristamist. Nende geenide aktiivsuse väikesed muutused on piisavad elementide lühendamiseks, pikendamiseks või kõrvaldamiseks , mis makroevolutsioonilisel skaalal tähendab tohutut mitmekesisust väga erinevate funktsioonide jaoks kohandatud vormides.
Tänapäeval kinnitab arengugeneetika Darwini intuitsiooni: raisakotka tiiva ja lõvi käpa nähtavad erinevused võivad olla ühiste arenguprogrammide peenete kohanduste tulemus . Naised ja mehed, nahkhiired, hülged, kotkad ja laiskloomad pärivad kõik oma olemuselt sama viiekiirelise jäsemete plaani, mida on ikka ja jälle muudetud ja kohandatud.
Seda konteksti arvestades jääb lahtiseks küsimus, miks peaaegu kõigil selgroogsetel on täpselt viis sõrme. On pakutud välja biomehaanilisi hüpoteese, arengutõhususe teooriaid ja geneetilise stabiilsuse selgitusi, kuid lõplikku konsensust pole veel saavutatud. Selge on aga see, et käed ja sõrmed, mida me igapäevaselt kasutame, on iidsete uimede, esivanemate geneetiliste võrgustike ja miljonite aastate pikkuse evolutsioonilise katsetamise rafineeritud produkt ning et iga edusamm arengubioloogias – alates CRISPR/Cas9-st kuni geeniekspressiooni analüüsideni kopskalade puhul – viib meid veidi lähemale selle sügava transformatsiooni toimumise viisi lahtimõtestamisele.
