Почему у нас пять пальцев на руках и ногах?
Популярная детская рифма «This Little Piggy» — это воспоминание о раннем детстве для многих из нас. Это стихотворение, в котором участвуют пять маленьких поросят, каждая из которых соответствует одному из наших пальцев или пальцев ног. Детям это нравится, но если вы сделаете паузу, чтобы подумать, эта простая рифма поднимает любопытный вопрос: «Почему у людей есть пять цифр на каждой из наших четырех конечностей в первую очередь?»
Простой ответ заключается в том, как мы развивались, но определение того, откуда взялись эти пальцы, и как это другая история. «Когда вы говорите о том, почему у нас пять, а не шесть или не четыре пальца, я думаю, что это довольно сложный вопрос», — говорит Тэцуя Накамура, доцент кафедры генетики Университета Рутгерса.
Все начинается с общего предка.
Все четвероногие, группа, в которую входят земноводные, рептилии, птицы и млекопитающие, происходят от общего предка рыбы. — Если вы спросите, откуда мы пришли? — Нашим общим предком была рыба.
Рыбы изначально разработали конечности для ходьбы по земле во время девонского периода Земли, который произошел примерно 360 миллионов лет назад. Относительно короткое время спустя (эволюционно говоря), первые четырехногие существа, у которых было до восьми цифр на каждой конечности, стерли свои дополнительные цифры. С тех пор пять пальцев и пять пальцев ног стали стандартной особенностью для первых четвероногих в мире.
Tiktaalik roseae, был одним из первых позвоночных на суше.
Изображение: DepositPhotos
Этот пятизначный план вскоре закодировался в генах Hox наших ранних предков, наборе генов мастер-контроля, которые действуют как генетический план, гарантируя, что части тела, органы и конечности оказываются в правильном месте. С тех пор эти гены Hox определили, что все наши общие предки произошли от этого пятизначного плана.
Конечно, не у каждого живого позвоночного пять пальцев и пальцы ног, но более 99% четвероногих (все виды суши с позвонками) имеют одну и ту же пятипалую костную структуру. К ним относятся морские львы, киты и тюлени, у которых внутри ласточек спрятаны пять пальцевых выступов, и летучие мыши, рожденные с перепончатыми пальцами, образующими структуру их крыльев. Даже эмбрионы лошадей и птиц ненадолго начинаются с пяти цифр, прежде чем перерастать в копыта или (в случае с птицами) меньшее количество пальцев.
Только один из 500-1000 человек рождается с дополнительными пальцами или пальцами ног. Эта разница в рождении известна как полидактилия и связана с гиперэкспрессивным геном, известным как звуковой еж (вы правильно прочитали!).
Отследить его обратно в рыбу
Тем не менее, только в 2016 году группа ученых из Чикагского университета определила, как лучи плавников рыбы (которые являются костными скелетными элементами, обеспечивающими структуру, гибкость и дополнительную поддержку плавников) в конечном итоге превратились в пальцы рук и ног.
Ученые использовали крошечных рыб, таких как рыбки-лучеперые, медаки и другие тропические рыбы, которые часто встречаются в домашних аквариумах для их изучения. Затем они использовали CRISPR-Cas, метод редактирования генов, который позволил им изменять ДНК рыб, чтобы удалить гены Hox, необходимые для развития конечностей.
Оттуда ученые сравнили эмбриональные клетки у этих мутантных рыб с мышами по мере их роста и развития, в конечном итоге определив генетическую связь между ними. «Мы обнаружили, что наши пальцы и лучи рыбьих плавников используют одни и те же гены Hox и их функции для развития», — говорит Накамура.
Изображение: DepositPhotos
Что все это значит
В то время как их исследования выявили прямую корреляцию между плавниковыми лучами рыб и цифрами четвероногих, еще многое предстоит узнать о том, как у людей развивались пальцы рук и ног. «Мы обнаружили, что наши пальцы, вероятно, произошли от плавниковых лучей, несмотря на то, что они очень разные структуры», — говорит Накамура.
«Остается много вопросов, — говорит он. — Например, как они трансформировались в пальцы? И какие гены и молекулы регулировали это преобразование?» С лучшими инструментами редактирования генов, такими как CRISPR-Cas9, более точная система CRISPR-Cas, появившаяся на сцене за последнее десятилетие, Накамура считает, что ответы могут прийти раньше, чем позже.
Другие общие черты
По словам Накамуры, четвероногие и рыбы генетически похожи и другими способами. Например, задние конечности наземных позвоночных произошли от тазовых плавников рыб-лоббированных плавников предков, в то время как плечевые пояса (костная структура, которая образует основу наших плеч) развились из рыбьих жаберных дуг, которые являются скелетными петлями, поддерживающими жабры рыбы для дыхания и кормления.
Связанные с «Спроси нас о чем угодно» истории
Почему у нас две ноздри вместо одной большой дырки
Почему большинство людей правши?
- Скрещивание глаз действительно плохо для тебя? — спросили мы у окулиста.
Были ли ядовитые динозавры?
Почему у лошадей глаза на голове?
«Хотя у рыб нет шеи, — говорит Накамура, — каким-то образом во время эволюции люди отделили кость черепа от плечевого пояса, создав пространство для шеи». Это позволило нам перемещать головы независимо от тела для таких вещей, как охота и сканирование горизонта.
Это то, что известно как «эволюционное новшество», новая черта или особенность, которая позволяет организмам продолжать функционировать и адаптироваться, так же, как у нас появились пальцы рук и ног. «Мы взяли структуры, которые существовали в рыбных плавниках, и наши тела изменили свое развитие с течением времени на похожие на пальцы ткани, которые более подходят для земли».
Это просто число
Что касается того, почему у нас пять пальцев и пять пальцев на ногах? Это остается неубедительным, но число, безусловно, делает хорошую детскую рифму.
Спроси нас о чем-нибудь, Популярная Наука отвечает на самые странные, сжигающие разум вопросы, от повседневных вещей, которые ты всегда задавал себе, до странных вещей, о которых ты никогда не думал спрашивать. Спроси нас
