Есть животные, которых обычно вспоминают, когда разговор заходит о том, что все мы, в конечном итоге, произошли от рыб. Не верите, что наши предки вышли из воды на сушу? Посмотрите на илистого прыгуна, резвящегося на берегу. Или на двоякодышащих рыб, способных переносить пересыхание водоёма в течение нескольких месяцев, зарывшись в ил.
О двоякодышащих и поговорим. Эти удивительные существа по ряду признаков больше напоминают четвероногих, чем рыб — хотя бы тем, что могут дышать атмосферным воздухом с помощью примитивных лёгких. Когда двоякодышащих впервые открыли в середине XIX века, их даже поначалу определили как земноводных.
Сейчас двоякодышащих относят к лопастепёрым рыбам Sarcopterygii — группе, к которой, кроме того, относятся целакантовые, а также, ни много ни мало, все четвероногие (привет, мой лопастепёрый Читатель!). Древние представители саркоптеригий появились в девонском периоде более 400 млн лет назад и покорили сушу, породив всю наземную позвоночную братию. Современных двоякодышащих иногда рассматривают как «живых ископаемых», особенно их особо архаичного представителя — рогозуба из Австралии Neoceratodus forsteri, который, судя по палеонтологическим находкам, мало изменился за последние 100 млн лет. Эта очень большая (до 170 см в длину и 40 кг весом) рыба с крупной чешуёй и веслообразными плавниками, правда, не может пережить длительное пересыхание водоема, как её африканские и южноамериканские родственники, но несколько дней во влажном иле протянет. Кстати, рогозубы — долгожители: известен старичок, проживший в аквариуме в Чикаго более 90 лет.
Такой кандидат на роль живого «переходного звена» между рыбами и земноводными давно привлекает внимание биологов. Изучение организма рогозуба помогает выяснить, как первые четвероногие справлялись с освоением новой среды: как менялся их скелет? Как они защищались от высыхания? Что происходило с дыхательной системой, с обонянием, с размножением? Анализу только что расшифрованного генома австралийского рогозуба посвящена статья, ранняя версия которой появилась на сайте Nature. При прочтении ДНК молодой двоякодышащей рыбы, привезённой из Австралии, специалисты столкнулись с рядом трудностей, поскольку геном рогозуба оказался самым большим из известных геномов животных. 43 миллиарда пар оснований, что в 14 раз больше, чем у человека, и на 30% превышает длину генома аксолотля (32 Гб), который считался самым длинным до сих пор. В итоге сложнейшей работы с использованием самых современных методов учёные собрали полный геном из 17 макрохромосом и 10 микрохромосом (так называют очень маленькие хромосомы, чей размер меньше 20 Мб). Исследователям удалось получить информацию о 31 тыс. генов рогозуба.
Первым делом специалисты прояснили положение двоякодышащих на эволюционном дереве, подключив для этого данные по геномам 10 позвоночных, включая человека, курицу, аксолотля и латимерию. Для анализа использовали около 700 генов-ортологов (то есть генов общего происхождения), а также консервативные некодирующие элементы генома. Ну что ж. Рогозуб однозначно становится ближайшим родственником наземных позвоночных, потеснив с этого места латимерию. Общий предок двоякодышащих рыб и четвероногих жил около 420 млн лет назад.
Что можно сказать про геном рогозуба? Несмотря на монструозный размер, структура генома во многом типична для хордовых. В частности, последовательность всех десяти микрохромосом Neoceratodus forsteri на удивление похожа на таковую микрохромосом курицы и панцирной щуки (её геном тоже участвовал в исследовании). Кроме того, исследователи обнаружили, что размер интронов — некодирующих участков внутри генов — у рогозуба составляет 21% генома, то есть примерно столько же, сколько у человека.
Судя по всему, геном рогозуба, как и геном аксолотля, пережил две «волны» бурного увеличения размеров, случившихся около 163 млн лет назад, а затем 39 млн лет назад. Происходило это главным образом за счёт размножения мобильных генетических элементов — последовательностей ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Исследователи посчитали, что порядка 90% генома рогозуба составляют повторяющиеся последовательности. Сходным образом, в два приёма, но независимо, увеличивался геном аксолотля. И, судя по активности мобильных элементов, разрастание генома рогозуба продолжается. Почему это происходит, не вполне ясно.
А что можно сказать о генетических адаптациях, связанных с переходом от водного к наземному образу жизни? Например, с дыханием атмосферным воздухом. Выяснилось, что у рогозуба увеличено число генов, относящихся к семейству лёгочных поверхностно-активных B-белков. Эти белки — важные компоненты липопротеиновой смеси, покрывающей поверхность лёгкого, обеспечивая его функцию. У рогозуба генов, кодирующих эти белки, в два-три раза больше, чем у рыб, и примерно столько же, сколько у четвероногих. Учёные исследовали работу гена shh — важного регулятора развития лёгких, который у эмбриона рогозуба экспрессировался в лёгком так же сильно, как у амфибий (у австралийского рогозуба одно непарное лёгкое).
Авторы статьи также отмечают рост числа генов, участвующих в обонянии, причём это относится к генам рецепторов запахов, переносимых воздухом: семейство этих генов, небольшое у рыб, разрослось у рогозуба, в то время как несколько классов рецепторов запахов, переносимых водой, наоборот, потеряли ряд генов. Кроме того, расширено и семейство генов VR, связанных с вомероназальным органом, который есть у большинства четвероногих, но отсутствует у рыб.
А что там с ногами-плавниками? У рогозуба мясистые, расширяющиеся плавники, которыми животное может опираться на грунт — прообраз конечностей четвероногих. Анализ т.н. энхансерных элементов, отвечающих за развитие конечностей, показал, что у двоякодышащих появляется 31 новый энхансер, отсутствующий у рыб. Один из таких энхансеров, hs72, влияет на работу гена sall1, эспрессирующегося в кисти. Как выяснилось, sall1 работает в плавниках эмбриона рогозуба подобно тому, как это происходит, например, у мышей, в отличие от рыбок данио-рерио.
То же относится и к hox-генам — управляющим процессом формирования и роста различных тканей в организме. Исследователи обнаружили, например, что в концах плавников рогозуба экспрессируется ген hoxc13. Этот ген кодирует белок, который регулирует развитие конечностей у четвероногих — в частности, с его работой связано формирование когтей или копыт. hoxc13 работает у млекопитающих, его экспрессия зафиксирована в конечностях аксолотлей, но отсутствует в плавниках лучеперых рыб. Разумеется, у рогозуба нет ни когтей, ни копыт, но мы видим замечательный пример преадаптации: плавники двоякодышащих уже на полпути к превращению в полноценные лапы.
Итак, подвинься, целакант! Фактически живым переходным звеном между рыбами и земноводными оказался рогозуб. В его геноме мы видим спектр преадаптаций для освоения суши, связанных с легочным дыханием, обонянием, формированием конечностей. По-видимому, эти преадаптации возникли уже у общих предков всех саркоптеригий — четвероногих, целакантовых и двоякодышащих рыб.
Благодарю Константина Лескова за консультацию.