Занимательная генетика. 8. Как рыбы в воде?

    Чувствовать себя как рыба в воде – это значит, быть настолько уверенным в своих силах, что увереннее просто не бывает. Но действительно ли с первыми рыбами дело обстояло именно так? Действительно ли они в воде пловцы «лучше некуда»?

    Вот например,  ланцетник  — род примитивных морских животных из семейства ланцетниковых, подтип бесчерепные, класс головохордовых. Взрослые особи ведут придонный образ жизни — населяют песчаное дно чистых морских вод. Интересно, что хорда у ланцетника – не просто трубочка, а стержень с вертикальной исчерченностью (намёк на позвонки?). Мускулатура также имеет посегментное строение. Есть ротовые щупальца из хрящевых клеток (вот ведь у рук изначально не было функции ноги!). Есть жабры, но в процессе дыхания кровеносные сосуды жаберных щелей не играют значительной роли (1 %). Дышит эта мелочь (5-8 см) закономерно всей поверхностью тела. А жабры-то зачем?

    Еще на заре современной науки кто-то из ученых предположил, что рыбы дышат жабрами, и все приняли это как данность. А теперь ученые высказали фантастическое на первый взгляд предположение, что основное предназначение жабр - поддерживать химический баланс между телом рыбы и окружающей средой. Для чего это нужно? Проще всего пояснить на банальном примере из повседневной жизни. Когда мы долго держим руки или ступни в воде, они становятся сморщенными, теряют упругость. Происходит это оттого, что из нашего тела стремительно вымываются ионы калия и натрия. По идее, такие же процессы должны происходить в теле рыб. Но ничего подобного мы не наблюдаем. Значит, природа придумала некий защитный механизм. Весь вопрос: какой? А что есть у рыб, чего нет у человека? Ну, разумеется, жабры! Примерно так рассуждали ученые. Жертвой эксперимента стала личинка радужной форели, которую поместили в сосуд с двумя отделениями: в одном располагалась передняя часть туловища с жабрами, в другом - хвост. Ученые ежедневно измеряли уровень ионов натрия и кислорода в теле личинки и окружающей среде. Оказалось, что по насыщенности ионообмена кожа уступает лидерство органам дыхания где-то через 15 дней после начала наблюдений, а по поглощению кислорода - лишь через 25 дней. Это и подтверждает факт, что первоначально жабры у рыб развивались для обмена ионами.

    Конечно, сейчас рыбы двигаются активнее ланцетников и дышат с помощью видоизменившихся жабр! Но тот факт, что у эмбриона человека на начальной стадии развития прорезываются жаберные щели, нельзя считать доказательством того, что мы произошли от рыб. Это только указывает на то, что когда-то ионный обмен был важен и для нас.  А значит, наши предки действительно жили в воде. Подобные ланцетнику, например.

    А вы, может быть, сомневаетесь, что мы с ланцетником родня?

   
    Оказалось, что порядок расположения генов в хромосомах ланцетника сохранил некоторое сходство с порядком расположения генов в хромосомах позвоночных. И если у ланцетника какие-то гены находятся на одном и том же фрагменте ДНК, то с большой вероятностью эти же гены и у человека будут находиться на одной и той же хромосоме. Поэтому учёные «сконструировали» хромосомы нашего общего с ланцетником предка. Их оказалось 17.

    Исследователям удалось найти фрагменты в человеческих хромосомах, соответствующие каждой из этих предковых хромосом. Как и следовало ожидать, каждая из 17 хромосом превратилась в геноме человека в некий набор обрывков. Но эти наборы обрывков показали, что каждый такой набор обрывков, в который превратилась одна из предковых хромосом, подразделяется на четыре части с похожими наборами генов.

    Оказалось, что если мы возьмем одну из этих групп обрывков, то с большой вероятностью в трех других группах обрывков найдутся паралоги генов, которые есть тут. Паралоги -  это родственные гены, похожие друг на друга, но накопившие какие-то различия. Это гены, которые происходят от одного предкового гена в результате удвоения.

    Поскольку для каждой хромосомы обнаружилось четыре группы обрывков, в которые она превратилась, это значит, что у предков хордовых в какой-то момент весь геном учетверился. Поясню: мы с вами такие же ПОЛИПЛОИДЫ как современные пшеница или хризантемы!

    У ланцетника геном не учетверился, а у всех позвоночных  оказался учетверенным.  Тогда, по сравнению с простейшими животными мы должны иметь в 4 раза больше генов? Ан нет. Среди всех многоклеточных животных, у которых расшифровывался и изучался геном, лидером по числу генов являются дафнии — микроскопические рачки. Если в геноме человека около 20-25 тысяч генов, то у дафний их — более 30 тысяч. А более трети из этого числа не имеют аналогов у других организмов. Что бы это значило?..


    Итак, много миллионов лет назад у ранних позвоночных дважды произошло полное удвоение генома, которое послужило мощным толчком к их дальнейшему развитию. Да ещё, я так понимаю,  много «лишнего» было отсеяно. Когда это случилось? Ответа пока нет. Но после первых хордовых последовательно появляются две очень интересные группы: остракодермы и древние «рыбы».

    Примерно 510 млн. лет назад в прибрежных зонах морей и в пресных водоёмах появились остракодермы. Они были как панцирные рыбы, только без челюстей. Да и парные плавники часто отсутствовали. У костнощитковых был плечевой пояс, слитый с черепом (как у современных костистых рыб), и скелет грудных плавников в виде хрящевой пластинки (без радиалий) в каждом из них. Закованные в прочный панцирь, они медленно переползали по дну, профильтровывали ил в поисках пищи либо же взмучивали воду жабрами и заглатывали всё, что попадалось вместе с водой. Широкие моря были для них преградой.  «Проторыбы» не хотят плавать. Панцирь помешал? А что мешало их «родителям»?

        Остракодермам предшествовали существа типа ланцетника. Считалось, что наиболее древние бесчелюстные животные, напоминающие рыб, известны из раннего ордовика (около 450—470 млн. лет назад). Однако в 1999 году в китайской провинции Юньнань были найдены окаменелости рыбообразного существа Haikouichthys из группы бесчелюстных возрастом около 530 миллионов лет (ранний кембрий). Маленькое тельце хайкоуихтиса было лишено плавников, но зато у животного были глаза, жабры и головной мозг, что делало его самым продвинутым обитателем кембрийских морей. Потомки «рыбы из Хайкоу» - современные миксины и миноги. Значит, это не наш прямой предок. Хайкоуихтис — один из нескольких видов бесчелюстных животных, останки которых дошли до нас из раннего кембрийского периода. Некоторые другие виды: пикайя — подобная ланцетникам, хайкоуэлла — хордовое, обладающее хрящевым черепом, а также Myllokunmingia.

    Судя по небольшим размерам и своеобразной форме тела, плавали хайкоуихтисы плохо. В основном они держались у морского дна, где собирали мелкие частицы пищи. Миноги, потомки пикайи,  живут как в солёной, так и в пресной воде, паразитируют на рыбах. Личинки миног – пескоройки – зарываются в грунт. Миксины. Днём зарываются в ил. Паразитируют на рыбах. Очень живучи, хорошо переносят длительное пребывание без воды. Как видим, первые «недорыбы» предпочитают «грунт под ногами», нежели свободное парение в толще воды, миксины и вовсе выживают без неё.


    Первые панцирные рыбы, появившиеся около 420 млн. лет назад, демонстрируют ту же тенденцию. Так, у антиарх происходит усиление покровных окостенений, а придонный образ жизни (связанный в первую очередь с пресными водами) сохраняется. И у них, кстати, уже почему-то имеются лёгкие, внутреннее оплодотворение и прочее. Вторая группа плакодерм – артродиры – в начале своего развития представлена также бентическими, но неглубоководными формами (Ю. А. Орлов). Это уже потом они дорастут до хищников типа дунклеостея.

    Акантоды. Существовали с позднего силура (430 млн лет назад) до ранней перми (252 млн лет назад), главным образом в пресных водоёмах. Древнейший из известных акантод был морским животным, но на протяжении девона пресноводных становилось всё больше. Эти тоже в толще воды плавать не захотели.

    Самой ранней костной рыбой считается Guiyu (422,9—418,7 млн. лет назад). Причём, по ряду признаков её помещают ближе к лопастепёрым, чем к лучепёрым рыбам. Заодно говорят, что разделение на две эти формы произошло не позднее 419 млн. лет назад! Напомню, что лопастепёрые (в частности, рипидистии) «привели» к тетраподам (наземным позвоночным). А нужно было для этого иметь 4 ноги и легкие вместо жабр. Напомню, плакодермы-антиархи уже обладали рудиментарными лёгкими, да и 4 конечности были как у костных рыб, так и у многих плакодерм, да ещё и без спинных и анального плавников.

    Вот у меня возникло такое ощущение, что «рыб» кто-то загнал с суши в воду. Они и плавать-то толком не умели в своих панцирях!

    Дело в том, что на границе ордовикского и силурийского периодов, около 450—440 миллионов лет назад произошло массовое вымирание живых организмов. Между 450 и 440 млн. лет назад, с промежутком в 1 млн лет, произошли два всплеска вымирания. Для морских организмов это вымирание второе по величине, оно уступает только пермскому . Погибло более 60 % морских беспозвоночных. Что происходило на суше,  мы не знаем.

    Непосредственной причиной вымирания, как представляется, явилось движение Гондваны к области южного полюса. Это привело к глобальному похолоданию, оледенению и последовавшему за ним падению уровня мирового океана. Отступление границы океана разрушило или повредило места обитания вдоль континентального побережья.

    Как я уже отмечала раньше, температура воды в мировом океане не падает до бесконечности.  «При продолжительном уменьшении инсоляции температура соленого океана падала до определенного предела и дальше уже не понижалась (соленая вода в данном случае играла роль температурного буфера)…»

    И жизнь, спасаясь от холода, ринулась в воду! А что было до того?

    Климат в ордовикский период (485 – 443 млн. лет назад) становится более теплым и мягким, о чем свидетельствует большое распространение известняков. Большая часть суши была сосредоточена в теплых широтах.  Многие ученые полагают, что уровень CO2 в земной атмосфере в это время значительно - до 20 раз - превышал сегодняшний. Это что, парниковый эффект? А потом Гондвана надвинулась на Южный полюс…

    Исследователи из университета английского города Лейчестер (University of Leicester) пришли к выводу, что древний ледниковый период, охвативший Землю около 440 миллионов лет назад, на границе ордовикского и силурийского периодов, продолжался не 1-1,5 миллиона лет, как считали раньше, а гораздо дольше – около 30 миллионов лет.

    И что получается? Что, как только потеплело, жизнь тут же полезла обратно на сушу. Как-то так…



На иллюстрации: сверху – ланцетник и остракодерма Цефаласпис.