Как исчез хвост у человека
Как мы потеряли хвосты
Хвост у предков человека исчез очень быстро
Поговорим о потерях, которые наши предки понесли в тяжёлых эволюционных боях. Одна из таких невосполнимых утрат – хвост. Многие приматы могут похвастаться шикарным хвостом. У паукообразных обезьян из Нового Света хвост – это фактически пятая конечность, он и за ветку прекрасно цепляется, и даже удерживать предметы позволяет. Человекообразные обезьяны тут стыдливо потупились – похвастаться, прямо скажем, нечем. Вероятно, около 25 млн лет назад у общего предка современных гоминоидов хвост пропал, оставив после себя только жалкий копчик из 3–4 сросшихся позвонков. До этого полмиллиарда лет хордовые разгуливали с хвостами, и вот – бац! – его нет. Мы можем лишь гадать, почему это случилось. Стал ли хвост не нужен, когда обезьяны увеличились в размерах? Оказался ли помехой при переходе к наземному образу жизни? (Смотрим на гиббона и сомневаемся…) Недавние исследования генетиков позволили пролить кое-какой свет на генетику хвоста, чему помогло изучение бесхвостых мышей-мутантов. Учёные получили список из 31 гена, играющих роль в формировании хвостов у млекопитающих. Тем не менее, оставалось неясным, какие именно генетические изменения привели к исчезновению столь заметной части тела у человекообразных.
Чтобы прояснить картину, авторы нового исследования сравнили 31 «хвостатый» ген человека и других приматов. Помимо людей, анализировались гены-ортологи (то есть гены общего происхождения со сходными функциями) пяти человекообразных обезьян – людей, шимпанзе, бонобо, горилл, орангутанов, гиббонов – и пятнадцати их хвостатых родственников.
Кстати, Карл Циммер в статье об этом исследовании для New York Times пишет, что исследователи сравнивали ДНК шести бесхвостых обезьян и девяти хвостатых. А оригинальную статью открыть? А посчитать? Великому научному журналисту недосуг?
Сначала сравнивали кодирующие последовательности – то есть ту часть ДНК, которая отвечает за аминокислотный состав белков – но ничего подозрительного не нашли. Тогда исследователи взялись за поиск специфических отличий человекообразных в некодирующих участках ДНК. И тут их ждала удача: они обнаружили кусок генетической последовательности около 300 нуклеотидов в шестом интроне гена TBXT, присутствующий у только человекообразных.
Интрон – это участок ДНК, который вырезается при транскрипции гена, т. е. не участвует в кодировании белка.
Найденная последовательность относилась к Alu-повторам – классу повторяющихся коротких последовательностей ДНК, которые очень распространены в геномах приматов. У человека около 1 миллиона копий Alu-повтора, что составляет почти 10% всего генома. Так вот именно такой Alu-повтор встроился когда-то в ген TBXT общего предка человекообразных. Более того, вставка принадлежит к подсемейству AluY, начало активности которого, как полагают генетики, как раз примерно совпадает с временем, когда наши предки лишились хвоста.
Сам ген TBXT очень интересный, его открыла почти 100 лет назад русский генетик Надежда Добровольская-Завадская. Она исследовала наследственные изменения у мышей под действием ионизирующей радиации и в 1923 году получила мышей-мутантов – обладателей изогнутых или укороченных хвостов. Добровольская-Завадская предположила, что патология связана с потерей функции некого гена, управляющего развитием хвоста, который назвала «ген Т» (tail – хвост) или Brachyury (короткий хвост). Это и был TBXT. Ген кодирует белок, важный для развития хорды у эмбриона. Впоследствии было показано, что мутации в кодирующей части генов-ортологов TBXT приводят к потере или укорочению хвоста не только у мышей, но и у кошек, собак, рыбки данио-рерио, при этом гомозиготные по таким мутациям особи обычно нежизнеспособны. Кстати, именно из-за такой генетической особенности обладают коротенькими хвостиками кошки породы мэнкс.
Сам ген очень консервативен у млекопитающих, и такое его изменение – явно неспроста. Но каким образом вставка внутри интрона, в некодирующей части, влияет на работу гена? Исследователи обратили внимание, что в пятом интроне гена есть ещё один Alu-повтор – Alu Sx1, который встречается у всех обезьян и, что важно, расположен «задом наперёд» относительно нашего AluY, то есть в обратной последовательности. А это значит, что в молекуле РНК, образующейся при транскрипции гена TBXT, Alu Sx1 и AluY могут «слипнуться», образовав петлю. Проще всего понять, как это происходит, посмотрев на картинку. Внутри петли оказывается шестой экзон, то есть кусок кодирующей части гена TBXT. Таким образом, шестой экзон «выпадает», он не участвует в формировании белка. Получается альтернативный вариант работы гена, который исследователи обозначили TBXT-Δexon6.
Исследователи убедились, что именно такой вариант есть у человека и отсутствует у мышей.
Затем на человеческих эмбриональных стволовых клетках экспериментаторы показали, что, если из гена TBXT удалить элемент AluY либо его «собрата» Alu Sx1, вариант белка TBXT-Δexon6 не образуется.
Так может, именно белок TBXT-Δexon6 связан с нарушением развития хвоста?
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи методами генной инженерии получили мышей, у которых из одной из копий гена TBXT вырезали шестой экзон. У 21 из 63 таких мышат хвост развивался ненормально: он был либо укорочен, либо искривлён, а у 4-х особей отсутствовал вовсе. Надо, конечно, подчеркнуть, что не все мышиные хвостики пострадали. Тем не менее, исследователи убедились, что присутствия варианта TBXT-Δexon6 достаточно, чтобы потерять хвост.
А еще эксперимент показал, что гомозиготные обладатели мутации нежизнеспособны: эмбрионы либо формировались с задержкой, либо у них развивались патологии спинного мозга, несовместимые с жизнью.
Это, конечно, не является неопровержимым доказательством, что именно так у наших предков исчез хвост, но подобный сценарий очень вероятен. Эврика! Ведь это значит, что древние человекообразные лишились хвоста очень быстро, для этого не потребовалось тысяч поколений. Какая-то обезьяна – «счастливый» носитель AluY-повтора в гене TBXT – 25 млн лет назад родилась короткохвостой, и эта особенность почему-то оказалась столь полезной, что распространилась среди всех её потомков.
Удивительно, что одной мутации, причём в некодирующей части генома, оказалось достаточно для столь сильного изменения. Напомню, что в нашем геноме 1 млн Alu-повторов, причём более 60% из них сидит в интронах.
Конечно, на примере мышей мы видим, что одна и та же мутация проявляется в строении разных индивидов по-разному. Возможно, так же было у наших предков: какое-то время в популяции древних гоминоидов встречались и короткохвостики, и кривохвостики, и для закрепления полной «бесхвостости» потребовались изменения в десятках других генов, влияющих на тот же признак. А ещё обратите внимание на патологии нервной трубки у мышат-гомозигот. Преимущество, даваемое нашим предкам отсутствием хвоста, должно быть очень-очень сильным, чтобы перевешивать риск получить что-нибудь вроде расщепления позвоночника. У людей развитие таких патологий действительно может быть связано с мутациями в TBXT.
«Таким образом, мы предполагаем, что эволюционный компромисс, связанный с потерей хвоста около 25 миллионов лет назад, продолжает влиять на здоровье сегодня», – заключают авторы статьи.
Люди дважды теряли свой хвост
Хвост у людей просто ну никак не хочет оставаться, считают ученые. Недавно проведенное исследование показало, что наши древние предки теряли хвост не единожды. Результаты, опубликованные в Current Biology, не только помогут объяснить, почему люди не виляют хвостами подобно собакам, но и прольют свет на существование копчика, который сначала становится хвостом, а потом постепенно исчезает.
«Мясистые хвосты уходят корнями еще к самым первым позвоночным предкам и встречаются у очень молодых эмбрионов, поэтому было бы весьма трудно избавиться от них полностью и не столкнуться с проблемами», говорит автор работы Лорен Саллан. «Как результат, хвосты у рыб и людей переставали расти, оставляя подавленные хвостики вроде «ног» китов».
Происхождение этого таинственного рудиментарного хвоста имеет отношение к рыбам. Для исследования Саллан, доцент в Университете Пенсильвании, проанализировала ископаемые молоди рыбы Aetheretmon возрастом 350 миллионов лет. Эта рыба с челюстью является далеким предком современных наземных животных и обладала чешуйчатым, мясистым хвостом и гибким хвостовым плавником, который располагался на нем.
Саллан обнаружила, что эти структуры были полностью разделены. Сравнивая молодь Aetheretmon с молодью живой рыбы, она обнаружила, что два «хвоста» начинали один поверх другого, а затем росли сами по себе. Это открытие переворачивает по крайней мере двести лет научных убеждений, что хвостовой плавник современных взрослых рыб просто добавился к концу анцестрального (предкового) хвоста, который был и у наземных животных.
Рыба, которая эволюционировала в полуводное, а затем и наземное животное, потеряла гибкий спинной плавник, но сохранила мясистый — и он со временем стал знакомым всем нам придатком, который мы видим у собак, котов, коров и других животных. Как показывают собаки, хвосты полезны для визуальной коммуникации, разгона досаждающих летающих насекомых и других функций.
Взрослые обезьяны, в том числе и предки человека, решили совсем избавиться от хвоста, говорит Саллан, «утратив оставшийся костлявый хвост для лучшего вертикального движения. Как и у рыб, остатки эмбриональных костистых хвостов захоронены в наших нижних частях спин — в копчике — но они не получают молекулярных сигналов, которые привели бы к росту конечности, как руки или ноги. Таким образом, эмбрионы рыб и людей имеют схожие механизмы управления формой хвоста».
Генетики выяснили, как наши предки потеряли хвост
В течение нескольких миллионов лет у предков гоминидов был хвост, который исчез в процессе эволюции. Почему это произошло, до сих пор точно неизвестно, однако генетики заявили, что нашли ответ.
По их мнению, все указывает на мутацию в гене TBXT. Согласно статье, опубликованной в bioRxiv, предки гоминидов потеряли хвост 25 млн лет назад, когда линия гоминидов отделилась от обезьян. В результате остались только три-четыре хвостовых позвонка, которые сформировали копчик у современных людей.
Фактически, хвост у людей появляется на стадии эмбриона, но позже он сливается с позвоночником и образует копчик. У человекообразных обезьян, таких как гориллы, орангутаны и шимпанзе, хвостов также нет.
Изучая процесс формирования хвоста у других животных, ученые из США обнаружили набор из 31 гена, который приводит к появлению различных частей позвоночника. По мнению исследователей, наши предки потеряли хвост в результате мутации, когда был изменен один или несколько из этих генов. К такому выводу они пришли, когда сравнили ДНК шести хвостатых и бесхвостых приматов (включая людей) с девятью новыми видами хвостатых обезьян. В итоге была обнаружена мутация в гене под названием TBXT.
«Хотя нельзя утверждать наверняка, что эта мутация лишила хвоста наших предков, но пока это наиболее очевидная причина», – рассказал генетик из Корнельского университета Седрик Фешотт.
По мнению ученых, мутация случайно возникла около 20 млн лет назад. Позже бесхвостые особи передали ее своим потомкам. В конце концов измененная форма TBXT стала нормой для современных обезьян и людей.
Однако исследователи считают, что мутация TBXT – не единственная причина, по которой у людей нет хвоста. Ученые считают, что должны быть и другие гены, которые помогли сформировать одинаковую анатомию у хвостатых обезьян.
Ученые рассказали, как люди дважды теряли хвост
Хвост у людей не прижился. Как показало недавнее исследование, наши древние предки теряли хвост не единожды. Результаты научной работы могут объяснить существование копчика, который при формировании эмбриона выглядит как хвост, но в процессе развития исчезает.
«Хвосты корнями уходят еще к самым первым позвоночным и встречаются на ранней стадии развития эмбрионов, поэтому от них затруднительно избавиться, не столкнувшись с проблемами», — шутит автор исследования Лорен Саллан из Пенсильванского университета. В результате «мясистые» хвосты у рыб и у людей исчезли, оставив после себя рудиментарные отростки вроде «ног» у китов.
Саллан проанализировала ископаемые доисторической лучеперой рыбы Aetheretmon возрастом 350 млн лет. Считается, что именно это существо является самым далеким предком современных животных. Она обладала чешуйчатым мясистым хвостом и гибким хвостовым плавником, который располагался сверху, передает Live Science.
Выяснилось, что в процессе эволюции эти структуры полностью разделились: толстый хвост и плавник в итоге стали расти сами по себе, а не в «паре». Это открытие, по мнению Саллан, означает, что два типа хвостов развивались и эволюционировали каждый по-разному. Рыбы потеряли толстый хвост и приобрели более гибкий, чтобы улучшить плавательные навыки.
Рыбы, эволюционировавшие в наземных существ, потеряли гибкий спинной плавник, но сохранили мясистый — он и превратился со временем в знакомый всем нам придаток, которым теперь награждены приматы, кошачьи, псовые и другие млекопитающие, передвигающиеся по суше.
Обезьяноподобные предки человека и вовсе избавились от хвоста, скрыв остатки костистого рудиментарного образования в нижней части спины — копчике. Бывший хвост не получает «молекулярных сигналов», способных вызвать рост и развитие.
Очевидно, что хвост у обезьян и ранних предков людей стал исчезать по мере распространения прямохождения: в пользу этой гипотезы свидетельствует тот факт, что приматы, предпочитающие чаще использовать две ноги, а не четыре, имеют короткие хвосты. Вероятно, добавляет Саллан, если люди обзаведутся хвостами, то распрощаются с вертикальным положением.
Генетики выяснили, как предки людей лишились хвоста
Американские ученые выяснили, какой механизм ответственен за потерю людьми хвоста в ходе эволюции. Препринт статьи с описанием исследования был опубликован на сайте bioRxiv.
Хвост помогал далеким предкам людей вести древесный образ жизни, подобно тому, как сейчас он помогает многим видам обезьян. Но затем, примерно 25 миллионов лет назад, хвосты исчезли. Мышцы хвоста превратились в гамакоподобную сетку, пересекающую таз. Когда несколько миллионов лет назад предки людей перешли к прямохождению, этот мускулистый гамак помогал поддерживать внутренние органы.
Ученые во главе с Бо Ся из Нью-Йоркского университета заявляют, что определили генетическую мутацию, которая могла удалить хвосты приматов, в том числе предков людей. Чтобы прийти к этому, авторы работы сравнили ДНК шести видов бесхвостых обезьян с девятью видами хвостатых. В гене TBXT ученые обнаружили элемент Alu, который обнаруживался у людей и человкообразных обезьян, но отсутствовал у прочих приматов.
Когда исследователи модифицировали геном мышей, добавив в него элемент Alu, у животных хвосты либо не отросли вовсе, либо выросли короткими. Бо Ся и его команда не дают однозначного ответа, чем было выгодно избавиться от хвоста. По видимому, выигрыш от этого был достаточно крупным, чтобы перевесить вред, поскольку та же самая мутация может вызывать дефекты спинного мозга, наблюдаемые у одного из тысячи человеческих младенцев.