Древняя связь между сердцем и головой очевидна

Иллюстрация Фабио Буонокоре

Жизненно важная связь между частями тела дает представление об эволюции ближайших родственников позвоночных.

На протяжении веков писатели думали о сердце как о средоточии человеческих страстей, его морали и доблести. Голова, с другой стороны, была центром холодной, жесткой рациональности. В 1898 году американский поэт Джон Годфри Сакс писал о таких различиях, но закончил свои стихи утверждением, что сердце и голова взаимозависимы. “Каждый из них лучше, когда оба едины», — писал он. «Что такое тепло без света?» Однако в то время Сакс не мог знать, что голова и сердце имеют глубокую биологическую связь.

За последние 15 лет ученые обнаружили связь между ними в процессе формирования. Например, в 2010 году исследователи обнаружили, что тот же небольшой набор клеток, которые делятся и дифференцируются, образуя сердце у эмбрионов мыши, также формируют мышцы гортани и нижней части головы (1). Ключевые компоненты обоих «изделий» вырезаны из одной и той же ткани.

Еще более удивительно то, что эмбриональная связь между головой и сердцем предшествует эволюционному происхождению позвоночных и, возможно, даже самой головы. Исследователи наткнулись на эту связь, изучая асцидий, круглых, сидячих на морском дне морских существ, которые имеют два отверстия — одно для всасывания воды, другое для ее выброса.

Асцидии принадлежат к группе беспозвоночные животных, называемых оболочниками, которые являются ближайшими живыми родственниками позвоночных, несмотря на их многочисленные различия. И хотя у оболочников нет настоящей головы, эволюционная связь между их головой и сердцем значительна. “Когда я впервые услышал об этом, подумал: о чем вы говорите?”, — смеется Билли Свалла, биолог-эволюционист из Вашингтонского университета в Сиэтле.

Исследователи идентифицировали группу клеток в эмбрионах асцидий, которые делятся и дифференцируются, образуя сердце и мышцы в структуру, аналогичной части горла позвоночных. Это говорит о том, что связь между головой и сердцем возникла до того, как две линии разошлись друг от друга сотни миллионов лет назад. Теперь Свалла и другие исследователи пытаются определить, как далеко уходит эта связь и возникла ли она у неподвижного безголового животного, похожего на асцидию, или у того, которое во время плавания смотрело вперед, и голова развивалась вместе с сердцем как одно целое. Это проблема, которая не дает мне спать по ночам, — говорит Сволла.

Поиск взаимосвязей

У большинства животных есть сердце в самом расплывчатом смысле этого слова, означающем любой сосуд, который перекачивает жидкость по всему телу. Но у позвоночных сердце представляет собой отдельный многослойный орган с частями притока и оттока, которые поддерживают ритм. Примерно десять лет назад эволюционное происхождение камерного сердца вызывало недоумение, потому что подобные формы органов не были обнаружены у того, что когда-то считалось ближайшими родственниками позвоночных: стройного, подвижного ланцетника. У этих полупрозрачных, похожих на стрелы животных весьма рудиментарная система кровообращения — простая насосная трубка, поэтому пуристы считают их бессердечными. Связь, казалось, была потеряна во времени.

Любопытство возродилось в 2006 году, когда исследование показало, что ланцетники на самом деле не были ближайшими живыми родственниками позвоночных (2). Этот анализ, основанный на генетическом исследовании десятков хордовых, типа, включающего позвоночных, ланцетников и оболочников, показал, что ближайшие родственники на самом деле являются оболочниками (см. «Филогенетическое дерево»). Поначалу эта перестановка шокировала многих исследователей, потому что, хотя ланцетники отдаленно напоминают рыб, асцидии больше похожи на большой комок жевательной резинки, по крайней мере снаружи. Но следовательно, оболочников больше не следует считать «примитивными», — заключили авторы.

Генеалогическое древо хордовых показывает, что оболочники являются ближайшими родственниками позвоночных.

Этот результат несколько успокоил морских биологов, изучавших анатомию оболочников. Линда Холланд, биолог-эволюционист из Института океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего, говорит, что гипотетические сценарии того, как тела хордовых эволюционировали в течение времени, просто не имели смысла с более ранним генеалогическим древом. Например, сердце ланцетника совсем не похоже на сердце позвоночных, в то время как сердце асцидии имеет определенное сходство и отличается своей сложностью.

Под непритязательным внешним видом оболочника находится многослойное V-образное сердце, окруженное спиралью мышечных волокон, которые сжимают орган в постепенном вращательном движении, которое удерживает поток жидкости в одном направлении. Сердце также может изменять направление кровотока.

Сердечные клетки в движении

Чтобы изучить эволюцию сердца оболочника, Брэдли Дэвидсон, доктор философии, исследователь Калифорнийского университета в Беркли, в начале 2000-х годов обратил внимание на вид морского оболочника класса асцидий Ciona intestinal. Он продолжил традицию биологов, которые более ста лет тщательно отслеживали деление и миграцию отдельных клеток у эмбрионов. Дэвидсон генетически манипулировал эмбрионами асцидий так, чтобы клетки, экспрессирующие ген MESP2, участвующий в формировании сердца позвоночных, светились зеленым при флуоресцентном свете. Когда он посмотрел на эмбрионы под мощным микроскопом, скопление примерно из 16 клеток, которые при более позднем развитии образовали бы сердце, послушно засветилось.

В 2005 году другой исследователь Лайонел Кристиан, присоединился к лаборатории Беркли и решил повторить эксперимент Дэвидсона. Однажды утром он сфотографировал эмбрионы со светящимся скоплением клеток, а затем покинул кампус. Без всякой особой причины он решил вернуться позже тем же вечером и проверить их еще раз. “Это был день, когда я жаждал науки”, — вспоминает Кристиан, ныне биолог-эволюционист в Международном центре морской молекулярной биологии Sars при Университете Бергена в Норвегии.

К его удивлению, некоторые из светящихся зеленых клеток мигрировали на противоположную сторону эмбриона, где образовали кольцо возле развивающейся глотки животного. У взрослых асцидий глотка наполняется водой, фильтрует планктон в пищеварительную систему и высвобождает остатки, которые животное может выбросить обратно. У позвоночных глотка является частью горла. Рыбы используют её для глотания воды. Кристиан был осведомлен о работе, предполагающей, что мышцы в сердце мыши происходят из того же пула эмбриональных клеток, что и некоторые мышцы в нижней части головы (3). Он задавался вопросом, видит ли он то же самое у эмбрионов оболочников.

Общие предки головы-сердца не были известны еще в 1983 году, когда биологи, изучающие происхождение позвоночных, выдвинули теорию «новой головы» (4), чтобы описать эволюцию отдельной головы с бьющимся сердцем, расположенным чуть ниже. Эти авторы описали сценарий, в котором естественный отбор привел к каскаду признаков, которые улучшили способность позвоночных питаться и охотиться. Одной из таких адаптаций была эволюция челюстей из клеток нервных окончаний, которые дают начало скелету позвоночных. Другими ключевыми адаптациями должны были стать усовершенствованные органы чувств в новой голове охотника и сложный мозг для интеграции сигналов.

Авторы этой теории в основном сосредоточились на клетках, которые создали челюсти и другие кости. Они оставили открытой эволюцию мышц вокруг глотки и под головой, которые должны были сделать челюсти работоспособными. Эволюция этих мышц оставалась неясной в течение десятилетий, пока Лайонел Кристиан не нашел ключ к разгадке в этом кольце клеток в эмбрионах  оболочников с активированным геном MESP2.

Вместе со своими коллегами Кристиан провел второй эксперимент. На этот раз они заставили клетки эмбрионов оболочников, экспрессирующие гены, связанные с формированием нижней челюсти позвоночных и белок Tbx1, необходимый для формирования артерий, светиться зеленым. Конечно, эти клетки произошли из того же набора клеток, что и сердце. В отчете за 2010 год (5) команда ввела термин «кардиофарингеальный» для описания эмбриональных клеток, которые формируют сердце и глотку асцидий, и предположили, что эти клетки, вероятно, присутствовали у общего предка семейства асцидий и позвоночных. Кроме того, эти клетки сыграли важную роль в эволюции кровеносной, дыхательной и пищевой систем позвоночных. “Кардиофарингеальные клетки предшествовали появлению челюсти”, — говорит Кристиан. Они были готовы «приветствовать» кости головы вместе с мышцами.

Есть сердце, не нужно двигаться

Другой биолог-эволюционист, изучающий происхождение позвоночных и их родственников, Кристиан Канестро (в данном случае Кристиан — это имя) из Университета Барселоны в Испании, говорит, что исследование Лайонела Кристиана, показало, что механизм, создающий голову, присутствовал у последнего общего предка позвоночных и оболочника. Но была ли у него голова?

Вполне возможно, что да, но оболочники её утратили. Два факта подтверждают эту идею. Прежде чем прикрепиться к скале или участку морского дна, личинки-оболочники подвижны — это свободно плавающие существа с отчетливой передней частью и хвостом. И один тип оболочников, небольшая группа, называемая личинками, потому что они похожи на плавающих личинок, остаются подвижными всю свою жизнь. Личинки длиной менее нескольких сантиметров «бродят» по океану, виляя хвостами. Это движение создает поток воды, который течет через пульсирующую оболочку, которую они создают вокруг своего тела, позволяя ей отфильтровывать планктон.

Некоторые исследователи полагали, что существование личинок указывает на то, что их предки были блуждающими оболочниками. Канестро решил, что пришло время узнать больше об этих существах, поэтому создал их колонию в подвале своей лаборатории в Барселоне. Сотни личинок, содержащихся в стеклянном резервуаре с циркулирующей соленой водой, плавали, как пылинки, в течение своей мимолетной жизни. На пятый день, они «взрывались», выпуская сотни сперматозоидов или яйцеклеток, которые всплывают на поверхность воды.

Когда аспирант Альфонсо Феррандес искал работу над своей диссертацией, Канестро предложил ему понаблюдать за развитие сердец изучаемых им подвальных подопечных асцидий. Феррандес начал с поиска гена MESP2 и других генов, которые, как известно, контролируют развитие сердца у асцидий и позвоночных. Но не смог их найти. Менял последовательности, повторял эксперименты, использовал множество компьютерных программ для скрининга геномных последовательностей. Все безрезультатно. Наконец, он и Канестро пришли к выводу, что большинства генов сердца просто не существовало. Недостающие гены не стали бы большим сюрпризом для личинок — у них один из самых маленьких геномов в животном мире, но это было любопытно, потому что у них все еще есть бьющееся сердце и многие другие части тела, которые кодируются генами других животных. . “Вот тогда я по-настоящему увлекся этим проектом”, — говорит Феррандес. Когда я начинал, мне не нравилась история с сердцем, но она оказалась интересной.

Даже во время изоляции в Испании он получил разрешение пойти в лабораторию, чтобы сохранить личинок, пока усердно работал над своим проектом. Хотя MESP2 и другие известные гены отсутствовали, он смог восстановить несколько генов, которые способствовали формированию простого сердца, состоящего всего из восьми мышечных клеток, которые ритмично сокращаются для прокачки жидкости по организму. По словам Канестро, в процессе эволюции личинкам удалось пережить потерю генов, найдя другие способы построения частей тела, которые позволяли им двигаться, питаться и размножаться. “Организм адаптируется при потере генов”, — говорит он.

Вместо того, чтобы представлять собой унаследованное заболевание, личинки кажутся странными ответвлениями семейства оболочечников, заключила команда Барселоны в своей статье (6), опубликованной в ноябре прошлого года. В этом случае исследователи предположили, что предок асцидий, вероятно, был неподвижен, а не свободно плавал, как «модифицированные» личинки. “Мне нравится эта теория”, — говорит Дэвидсон, который сейчас учится в колледже Суортмор в Пенсильвании. По его мнению, эта работа демонстрирует, как разнообразие возникает в эволюции из одних и тех же исходных элементов.

Но во всем этом разнообразии трудно найти след, ведущий к предкам животных. Несмотря на недавние исследования личинок, Холланд не уверен, что оболочники изначально были неподвижными. Чтобы подкрепить свои аргументы, она перечисляет причины, по которым асцидии могут быть исключением, и называет черты, общие для личинок и ланцетников, предполагая, что они сохраняют связь с более ранним эволюционным состоянием.

В ближайшие годы она и другие исследователи продолжат разгадывать детали того, как эволюционируют позвоночные и их ближайшие родственники, клетка за клеткой, ген за геном, и узнают, какие геномные изменения произошли за сотни миллионов лет. Единственное, что кажется несомненным на данный момент, так это то, что эти изменения произошли с началом биения сердца.

Использованная литература

  1. Лескроарт, Ф. и др. Development 137, 3269–3279 (2010) Статья
  2. Делсук, Ф., Бринкманн, Х., Чуррут, Д. и Филипп, Х. Nature 439 , 965–968 (2006) Пабмед
  3. Натан, Э. и др. Development 135 , 647–657 (2008) Статья Google Scholar
  4. Ганс, К. и Норткатт, RG Science 220, 268–273 (1983) Статья
  5. Столфи, А. и соавторы Science 329, 565–568 (2010) Статья Google Scholar
  6. Феррандес-Рольдан, А. Nature 599, 431–435 (2021) Статья Google Scholar

Читайте также: