Для многих позвоночных, в том числе и для человека, легкие являются важнейшим органом дыхания. Однако четыре ныне живущих класса амфибий больше не дышат через легкие, а дышат преимущественно через влажную кожу. Мало что известно об основах развития потери легких у этих кладов.
Исследователи из Музея сравнительной зоологии Гарвардского университета и кафедры органической и эволюционной биологии изучили Plethodontidae, доминирующее семейство саламандр, которые во взрослом состоянии не имеют легких, и обнаружили, что легкие у них развиваются еще в эмбрионе, что позволяет понять эволюцию потери легких на протяжении миллионов лет. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Science Advances.
Plethodontidae — самое богатое видами семейство саламандр, на долю которого приходится более двух третей всего современного разнообразия саламандр. Все взрослые представители плетодонтид не имеют легких и дышат исключительно через нелегочные ткани, в первую очередь кожу и слизистые оболочки рта и горла. Потеря легких происходила, по крайней мере, четыре раза у отдаленно родственных земноводных независимо друг от друга, а случаев уменьшения или потери легких больше как у амфибий, так и у некоторых позвоночных. Однако объяснение развития этой потери неизвестно.
«Очевидно, что безлегочные саламандры прекрасно обходятся без легких, поскольку они составляют около двух третей всех видов саламандр, — говорит ведущий автор исследования Закари Р. Льюис, бывший докторант (Ph.D.’16), — возможно, потеря легких позволила, а не помешала этому замечательному эволюционному успеху».
Данное исследование основано на докторской работе Льюиса, выполненной в лаборатории старшего автора, профессора Джеймса Хэнкена. Льюис, Хэнкен и их соавтор доцент Райан Керни из Геттисбергского колледжа изучили морфологию развития легких у легочных и безлегочных саламандр с помощью гистологии и микротомографии. Они обнаружили, что у безлегочных саламандр легкие развиваются в эмбриональном состоянии так же, как легкие развиваются у других видов. В дальнейшем с помощью гибридизации in situ и секвенирования РНК исследователи продемонстрировали, что структура, возникающая в процессе эмбрионального развития безлегочной саламандры, похожа на легкое не только морфологически, но и по количеству экспрессируемых молекул.
Исследователи предполагают, что развитие легких у этих видов останавливается из-за отсутствия сигналов, поддерживающих развитие легких, которые возникают из ткани, мезенхимы, окружающей развивающееся легкое.
«Мы поместили мезенхиму от саламандры с легкими в эмбрион безлегочной саламандры и позволили ей развиваться, — говорит Льюис, — в результате образовались структуры, напоминающие легкие, что дает некоторые доказательства того, что безлегочные саламандры способны продолжать развивать легкие».
Исследование также подтверждает докторскую диссертацию Эми Грейс Мекель 1936 г., в которой оспаривается ведущая теория биологов о том, что небольшая складка в глотке взрослого человека является рудиментарным легким, сохранившимся после первоначальной потери легких у плетодонтид. Мекель описал «зачаток легкого», который формируется в эмбрионе, но к моменту вылупления из него утрачивается.
«Предшественник легкого появляется и исчезает до вылупления безлегочных эмбрионов саламандр, как и описывал Мекель, — говорит Керни, — эта работа подтверждает ранний тезис Мекеля и ставит крест на гипотезе о первоначальной потере взрослого легкого».
Исследование показывает, что генетические пути развития легких, по крайней мере, частично сохраняются, несмотря на отсутствие функциональных легких у взрослых особей в течение как минимум 25, а возможно, и более 60 млн. лет. Понимание эволюции потери легких у Plethondontidae может также пролить свет на потерю органов у других позвоночных.
«В будущем, если эти генетические механизмы будут раскрыты, мы получим более полное представление о том, как эволюция приводит к отказу от такого органа, как легкое, который долгое время считался критически важным для достижения жизни на суше», — сказал Льюис, который в настоящее время является научным сотрудником компании NanoString Technologies.
Ссылка: «Developmental basis of evolutionary lung loss in plethodontid salamanders» by Zachary R. Lewis, Ryan Kerney and James Hanken, 17 August 2022, Science Advances . DOI: 10.1126/sciadv.abo6108
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Музеем сравнительной зоологии, Фондом Уэтмора-Коллеса и Летней исследовательской премией Роберта Г. Гоелета.
