Чудо в перьях

Для решения задачи важно знать родственные отношения описанных в ней групп. Эти группы показаны ниже на двух филогенетических деревьях (рис. 2 и рис. 3), которые нужно сопоставить.

Рис. 2. Филогенетическое древо тетрапод. Изображение с сайта blogs.scientificamerican.com

Рис. 3. Филогенетическое древо тетрапод-2. Изображение с сайта www.quora.com

Согласно С. Гилберту, первооткрыватель эмбриональной индукции Ганс Шпеман так описывал один из случаев индукционных взаимодействий эпидермиса и дермы: «Эктодерма говорит индуктору: „Ты велел мне сделать рот; хорошо, я сделаю это, но я не могу сделать такой, как ты хочешь, я могу сделать свой, и я его сделаю”.»

Ответ на задание 1

Начнем с вопроса о дополнительных условиях. Во-первых, важную роль может иметь возраст зародышей. С какого-то момента эпидермис уже коммитирован — то есть он уже получил сигналы, нужные для развития в конкретном направлении. Тогда при пересадке дермы ничего не изменится: эпидермис будет развиваться так же, как в норме.

Еще один момент, который нужно учесть, — участок спины, откуда берут дерму у курицы. Почти у всех современных птиц на теле есть участки с перьями (птерилии) и без них (аптерии). Вряд ли взятая с аптерий дерма будет вызывать образование каких-нибудь структур в эпидермисе.

При некоторых пересадках может оказаться немаловажным и вид ящерицы, от которой мы брали эпидермис или дерму (см. Послесловие). Это часто не учитывают экспериментаторы, которым удобнее иметь дело с небольшим набором модельных объектов.

Перейдем к основной части вопроса. Из подсказок ясно, что результат пересадок должен быть как-то связан с родственными отношениями млекопитающих, птиц и ящериц. Все они произошли от древних рептилий (хотя сейчас, в эпоху кладистики, предков млекопитающих предпочитают так не называть, но для нас это не существенно). Кожа этих предковых амниот, вероятно, уже могла формировать чешуи. У птиц чешуи есть на ногах, у многих млекопитающих (например, у мышей и крыс) — на хвосте. Можно предполагать, что эти чешуи гомологичны друг другу, то есть унаследованы от «рептилийных» предков. Если это так — значит, у птиц и млекопитающих сохранились сигнальные молекулы, отвечающие за запуск развития чешуй, и способность эпидермиса на них реагировать. Тогда под действием дермы ящерицы эпидермис курицы и мыши должен образовывать чешуи. Так оно и происходит в действительности.

Часто считается, что перья птиц и волосы млекопитающих — тоже видоизмененные чешуи рептилий (хотя это вовсе не так очевидно, как кажется; см. Послесловие). Можно предположить, что программа их развития — надстройка над более древней программой развития чешуй, которая могла сохранить в геномах этих животных.

У предков ящериц никогда перьев не было. Когда дерма курицы приказывает эпидермису ящерицы делать перья, тот отвечает: «Ты велела мне сделать... что-что? перья? такого слова я не знаю! я понимаю, что это какие-то роговые производные, но я не могу сделать такие, как ты хочешь; я могу сделать чешуи, и я их сделаю!». В итоге образуются недоразвитые чешуи, расположенные в гексагональном порядке, как перья.

Точно так же интерпретирует сигналы от куриной дермы эпидермис мыши: вырастают недоразвитые чешуи с характерным для перьев расположением. Читатель уже догадался, что дерма мыши индуцирует образование эпидермисом курицы недоразвитых чешуй, по расположению напоминающих волосы.

Из этих результатов следует, что расположение производных эпидермиса и ранние стадии их развития контролируются более консервативными генами и сигнальными путями. В ходе эволюции они настолько мало изменились, что эпидермис мыши понимает команды дермы курицы, хотя их общие предки жили триста с лишним миллионов лет назад. Но для полного развития чешуй, перьев и волос, видимо, нужны более специфичные сигналы, и они различаются у птиц, млекопитающих и ящериц. (При этом важна не только «проектная документация», но и строительный материал: у рептилий есть семейство бета-кератинов (см. также Beta-keratin) — белков рогового вещества; млекопитающие их утратили, а у птиц, напротив, появились специальные «перьевые» бета-кератины.)

Ответ на задание 2

Птицы и крокодилы — единственные дожившие до наших дней представители архозавров. Кроме них к этой группе рептилий относятся вымершие «нептичьи» динозавры (птицы — современные представители динозавров) и птерозавры, а также вымершие предки и родичи крокодилов — псевдозухии (один из вариантов филогении этой группы показан на рис. 3).

Рис. 4. Филогенетическое древо архозавров. Рисунок с сайта svpow.com

Как известно, у многих динозавров (в том числе и нелетающих) были перья или похожие на перья выросты. Вопрос о том, когда и в каком виде перья появились впервые в ходе эволюции, открыт. И новые открытия отодвигают это событие всё дальше и дальше вглубь веков. Возможно, примитивные волосовидные перья (филаменты) были у большинства динозавров и возникли у их общего предка (см., например, B. Switek, 2012. Rise of the feathered dinosaurs). Но филаменты (в том числе разветвленные, похожие на пух) были и у некоторых птерозавров. Может быть, «протоперья» были уже у общих предков птерозавров и динозавров. У современных крокодилов нет филаментов, но возможное время их возникновения примерно совпадает с временем расхождения эволюционных линий крокодилов и птиц (см. Feather evolution). Так что не исключено, что филаменты были и у общих предков всех архозавров.

Вот этот вопрос и могла бы прояснить пересадка дермы курицы под эпидермис зародыша крокодила: если бы выросли филаменты, это бы служило хорошим подтверждением их наличия у общего предка архозавров. Видимо, никто таких опытов до сих пор не проводил (но см. Послесловие).

Результаты пересадок, разобранные в решении, частично описаны в книге Р. Рэффа и Т. Кофмена «Эмбрионы, гены и эволюция» в разделе «О зубах курицы и перьях ящерицы» (рис. 5).

Рис. 5. Морфологические структуры, образующиеся при комбинациях эпидермиса ящерицы, который в норме дает ряды мелких чешуй, с дермой представителей других классов позвоночных в культуре органов. А. С куриной дермой из области цевки; формируются чешуи, расположенные так, как на цевке курицы. Б. Со спинной дермой курицы; формируются не перья, а недоразвитые чешуи, расположенные в типичном для перьев гексагональном порядке. В. Со спинной дермой мыши; формируются чешуи, расположение которых соответствует расположению первичных волосяных фолликулов. Г. С мышиной дермой из области верхней губы; формируются крупные чешуи, расположенные в соответствии с типичным расположением вибрисс и окруженные мелкими чешуями, расположенными подобно волосяным фолликулам шерстяного покрова (Dhouailly, Sengel, 1973). Рисунок и подпись к нему из книги «Эмбрионы, гены и эволюция», рис. 5–10

Опыты эти проводили в начале 70-х годов прошлого века. Примерно в тот же период был придуман способ преодолеть некоторую неоднозначность результатов, связанную с более ранними влияниями на клетки эпидермиса. Оказалось, что эпидермис хориона амниот быстро ороговевает на воздухе и восприимчив к сигналам дермы. В норме из него не развиваются ни перья, ни волосы, ни чешуи; эту ткань стали часто использовать для изучения индукционных сигналов.

Но не случайно в решении упоминалось, что на результат может повлиять не только стадия развития зародыша и участок, откуда взята ткань. Результат мог быть другим и при использовании иных видов. Дело в том, что истинная гомология перьев, волос и чешуй вовсе не очевидна. Не исключено, что волосы и перья — вовсе не видоизмененные чешуи, а эволюционные новшества, возникшие независимо от чешуй (хотя и сходные с ними по многим признакам). Такую точку зрения, например, защищает Даниэль Дуайи (Danielle Dhouailly) — автор опытов, описанных на рис. 5. В доказательство, в частности, приводятся эксперименты, показавшие, что при подавлении влияния белка ВМР (костного морфогенетического белка) с помощью белков Noggin или Shh (Sonic hedgehog) из эктодермы амниона развивается кожа с перьями у птиц и с волосами — у млекопитающих (см. D. Dhouailly, 2009. A new scenario for the evolutionary origin of hair, feather, and avian scales), но не с чешуями или железами. Дуайи делает вывод, что кожа «генетически запрограммирована» на производство перьев или волос, а развитие чешуй вторично — оно требует более сложной генетической программы, подавляющей развитие перьев или волос. Об этом же говорят и результаты мутаций — из-за них чешуи легко превращаются во вполне полноценные перья, а перья никогда не дают полноценных чешуй. Получается, не стоит верить глазам своим: чешуи птиц — вовсе не чешуи, а недоразвитые перья, а общие предки птиц могли иметь оперенные ноги — как у известных «четырехкрылых» динозавриков.

Дуайи на основании этих и других данных предлагает свою схему эволюции чешуй, перьев и волос (рис. 6).

Рис. 6. Схема эволюции чешуй, перьев и волос. Рисунок из статьи: D. Dhouailly, 2009. A new scenario for the evolutionary origin of hair, feather, and avian scales

Согласно этой схеме, чешуи у разных групп современных амниот — ящериц, крокодилов и птиц — появились независимо, а перья и волосы возникли не из чешуй (о чешуе млекопитающих в статье речь не идет). Волосы возникли из общих зачатков с железами, а перья — как новообразования. При этом у волос и перьев есть некоторые общие особенности — например, их развитие начинается с образования утолщений эпидермиса (плакод), а под ними образуются сгущения клеток дермы, позднее превращающиеся в фолликулы — структуры, обеспечивающие длительный рост в длину. Появление фолликулов у перьев и волос считается конвергенцией. Обратите внимание, что у крокодилов тоже есть плакоды и сгущения, на месте которых позже образуются кожные окостенения.

Эту схему оспаривают другие ученые. Например, недавно выяснилось, что плакоды образуются и при развитии чешуй других рептилий — ящериц и змей (см. Hair, feathers, and scales: an evolutionary tale).

Авторы работы считают, что они доказали гомологию чешуй, перьев и волос. На самом деле доказано лишь, что у общих предков современных птиц, мышей и ящериц уже было что-то вроде чешуи, а развитие производных кожи более консервативно, чем думали раньше. При этом волосы и перья вполне могли возникнуть и не из чешуй, используя схожий механизм развития (из плакод развиваются еще и зубы, уши и глаза).

Масла в огонь подливает то, что и не все перья, возможно, гомологичны друг другу. Например, специальные волосовидные перья, из которых состоит борода индеек (рис. 7), растут постоянно и не имеют фолликулов.

Рис. 7. У индюков, а иногда и у индеек, есть борода. Она состоит из особых волосовидных перьев — возможно, негомологичных остальным перьям птиц. Фото с сайта modernfarmer.com

Авторы этих наблюдений полагают, что эти перья гомологичны таким же разветвленным филаментам многих динозавров, но негомологичны настоящим перьям (см. R. H. Sawyer et al., 2003. Origin of archosaurian integumentary appendages: the bristles of the wild turkey beard express feather-type beta keratins).

Существуют и другие теории появления волос (кроме показанной на рис. 7). Согласно одной из них, волосы возникли из механосенсорных волосков на чешуйках, которые есть у некоторых ящериц (рис. 8).

Рис. 7. Согласно одной из теорий, волосы возникли из механосенсорных волосков рептилий (B, верхний ряд). Рис. из статьи: Ch. Chang et al., 2010. Reptile scale paradigm: Evo-Devo, pattern formation and regeneration

Такие волоски есть у анолисов, гекконов, игуан и агам. У агам в их основании есть даже что-то вроде фолликулов. Никто подробно не изучал их развитие. Вот почему в решении сказано, что результат пересадок мог зависеть и от вида. Не без труда (спасибо Сци-хабу!) удалось установить, что в замечательных опытах, проведенных Д. Дуайи, использовали дерму обыкновенной стенной ящерицы (Podacris muralis). А что если попробовать пересадить дерму мыши под эпидермис агамы? Может быть, тогда и удалось бы получить волосатую ящерицу? Но таких экспериментов, кажется, тоже пока никто не ставил. Жаль — они могли бы дать полезную информацию о происхождении чешуй и волос на хвосте у мыши.

А вот попытки получить оперенных крокодилов, оказывается, были! Только делали это не с помощью пересадок, а с помощью генных модификаций. При сочинении условия задачи я не знал о существовании недавней работы (см. P. Wu et al., 2018. Multiple Regulatory Modules Are Required for Scale-to-Feather Conversion). Авторы этой статьи выявили несколько новых генов, отвечающих за развитие перьев у птиц, и ввели некоторые из них (а также давно известный в этой роли, старый добрый ген бета-катенина, см. Beta-catenin) в культивируемую кожу аллигатора. Многие новостные агентства, конечно же, сообщили по получении пресс-релиза, что ученые превратили чешуи крокодила в перья. На самом же деле выросли небольшие волоски (рис. 9).

Рис. 9. Филаменты, полученные на коже аллигатора под действием птичьих генов. Фото из статьи: P. Wu et al., 2018. Multiple Regulatory Modules Are Required for Scale-to-Feather Conversion

Но и это немало! Удалось создать локальную (как у пера) зону роста эпидермиса в длину. У некоторых волосков, как на фото, даже возникло что-то вроде фолликула. Так что «низенько-низенько», но «перья» все-таки выросли.

Этот эксперимент подтверждает результаты других работ, где методами геномики было показано, что у общих предков архозавров уже были почти все необходимые регуляторные элементы и почти все структурные белки, необходимые для развития перьев; оставалось лишь немного «перенастроить» уже имеющиеся генные сети и наладить взаимосвязи между ними, чтобы перья начали расти.

Оборотная сторона таких «молекулярных преадаптаций» — удивительно длительное сохранение путей развития давно утраченных органов (таких, как зубы птиц). Оказалось, что эти зубы, утраченные десятки миллионов лет назад, не только могут вырасти на клюве птицы под действием дермы мыши, но и возникают иногда в результате спонтанных мутаций (см. M. P. Harris et al., 2006. The Development of Archosaurian First-Generation Teeth in a Chicken Mutant); при этом ген, вызывающий появление зубов, отвечает за развитие... ресничек — клеточных органелл, отвечающих, например, за удаление слизи из воздухоносных путей. Остается самая малость — выяснить, как связаны нарушения в работе ресничек с появлением давно исчезнувших зубов. Рано или поздно ученым, конечно, удастся и в этом разобраться.

Мутация, приводящая к появлению зубов у куриных зародышей, летальна. Но такие мелочи не останавливают амбициозных ученых вроде Джека Хорнера (Jack Horner), обещающих сделать из курицы динозавра (см. его лекцию Using the Tools of Evolution to Recreate Dinosaurs). Некоторые успехи на этом пути уже достигнуты, а методы молекулярной биологии развиваются так быстро, что подобный проект уже не кажется несбыточным. Конечно, возникает вопрос: зачем это надо? Но оставим этот вопрос для самостоятельного обдумывания.