Évmilliókkal előre felkészültek a halak a szárazföldre lépésre

A halakban már több millió évvel az előtt jelen volt a szárazföldi életmódra is alkalmas végtagok és ujjak kifejlődését bekapcsoló gén, hogy valóban a szárazföldre tették volna uszonyszerű lábukat - fedezték fel amerikai kutatók. Ezzel megoldást találtak a gerincesek vízi-szárazföldi életmódváltásának egyik jelentős problémájára, hogy vajon miként tudták olyan gyorsan meghódítani a vízi gerincesek a szárazföldet.

Az első szárazföldi gerinceseknek, a kétéltűeknek nagyon hosszú földtörténeti múltjuk van. Jellegzetes, megkülönböztető tulajdonságaik többsége azért jelent meg, mert bár képesek a szárazföldön élni, a legtöbb fajuk még mindig nagyon szorosan kötődik a vízhez, legalábbis életciklusának nagy részében. A kulcsfontosságú kétéltű-tulajdonságok már azoknál a Tetrapodáknál (elsődlegesen négylábú gerincesek: kétéltűek, hüllők, madarak és emlősök) megjelentek, amelyek először másztak ki a devon időszakban a szárazföldre, mintegy 370 millió évvel ezelőtt.

Hal-kétéltű átmeneti alakok

Az őslénytani leletekből nagyon jól követhető, hogyan fejlődtek ki a legkorábbi kétéltűek a halakból. Szinte valamennyi kulcsfontosságú átmeneti formát, más szóval hiányzó láncszemet felfedezték már Kanada sarki területein (Tiktaalik), Grönlandon (Ichthyostega) és Lettországban (Ventostega). Ezek a területek persze a mainál jóval melegebb éghajlatúak voltak a devon időszakban, hiszen az egykori trópusokon helyezkedtek el.

Habár még nem tudjuk pontosan, hogy a kétéltűek miért özönlötték el először a szárazföldeket, ezeknek az átmeneti állatoknak a fosszíliái azt mutatják, hogy fokozatosan alkalmazkodtak a szárazföldi környezetekhez. A későbbi fajok már olyan alapvető adaptációkat fejlesztettek ki, mint például az erős bordaketrec, amely alátámasztotta a megnövekedett testsúlyukat a vízen kívül. A legkorábbi igazi Tetrapodák azonban még mindig teljesen a vízi életmódra korlátozódtak.

Forrás: Wikimedia Commons

Arekonstrukciója

A legidősebb és legprimitívebb ismert kétéltű az Acanthostega, amelynek még kopoltyúi voltak, és nem tudta a végtagjait a testsúlyának alátámasztására használni. Figyelemre méltó, hogy az Acanthostega és sok egyéb korai Tetrapoda akár 8 ujjat is növesztett a végtagjain, míg az összes későbbi Tetrapoda áttért az ötujjas alapmodellre, amely azonban később sok irányba módosulhatott (lásd például a bálnák uszonyait és a madarak vagy a denevérek szárnyait). A korai Tetrapodák elterjedése azt sugallja, hogy ezek a sekély tengerekben, valamint édesvízi környezetekben is meg tudtak élni, ami megkülönbözteti őket a mai kétéltűektől. A korai Tetrapodák viszonylag nagy termetű ragadozó állatok voltak, és ökológiai értelemben jobban hasonlítottak a krokodilokhoz, mint például a békákhoz.

Így alakultak az úszók lábakká

A kutatók eddig nem tudtak választ adni arra a fontos kérdésre, hogyan alakultak át a halak úszói evolúciós szempontból nézve viszonylag rövid idő alatt szárazföldi közlekedésre alkalmas végtagokká. Kiderült, hogy ez a fontos lépés már jóval az előtt kódolva volt az egyedfejlődést irányító úgynevezett genetikai kapcsolókban, hogy a halak agyában felmerült volna a szárazföldre lépés gondolata.

A genetikai kapcsolók a génaktivitás időzítését és helyét szabályozzák. Ezek szabják meg, mikor kezdjen el működni és meddig működjön egy-egy adott gén. Amerikai kutatók most halakban fedeztek fel egy olyan kapcsolót, amelyet egérembrióba áthelyezve, a DNS-szakasz képes volt beindítani az embrió végtagfejlődésért felelős egyes génjeit.

A genetikai vadászatot a már említett híres ősmaradvány, a 2004-ben felfedezett Titaalik fosszíliája inspirálta. A Neil Shubin amerikai paleontológus által talált ősmaradvány átmenetet képez a halak és a négylábú Tetrapodák között, és uszonyainak csontvázszerkezete hasonlított a későbbi szárazföldi állatok végtagjainak szerkezetéhez. Ezek a hasonlóságok különösen feltűnőek az úszókban található csukló- és kézszerű részeknél. Ezek a megfigyelések arra ösztönözték a kutatókat, hogy laboratóriumi kísérletekben megvizsgálják a halak és a végtaggal rendelkező állatok közös fizikai és genetikai jellemzőit.

"Ez tényleg az az eset, amikor tudunk valamit a fosszíliákról, és a morfológia alapján genetikai kísérleteken kezdünk gondolkodni" - mondja Shubin, a Chicagói Egyetem professzora, az Amerikai Tudományos Akadémia folyóiratában (PNAS) megjelent cikk rangidős szerzője. "A Tiktaalik és rokonai megmutatták nekünk, hogy ez a végtagrész nem egy vadonatúj dolog a Tetrapodáknál, mint ahogy hosszú ideig gondolták. Tehát kell léteznie a program elődjének."

A végtagfejlődést szabályozó genetikai kapcsoló

A kutatócsoport az emberi végtagfejlődés szabályozásában is részt vevő CsB nevű genetikai kapcsolórégiót hasonlította össze az egerekben, csirkékben, békákban és két halban (a zebrahalban és a rájában) meglévő hasonló régiókkal. Mivel e fajoknak az utolsó közös őse korábban élt, mint a Tiktaalik-szerű átmeneti lények, ezért az összehasonlítás bepillantást ad azokba a biológiai körülményekbe, amelyek azelőtt uralkodtak, mielőtt a gerincesek először kimerészkedtek a szárazföldre.

Forrás: Kalliopi Monoyios, University of Chicago

Azonos génszabályozó régiók irányítják az úszók és a négylábú állatok végtagfejlődését

A kutatást vezető Igor Schneider, a Chicagói Egyetem szervbiológiai és anatómiai tanszékének biológusa a munkatársaival összehasonlította mind az öt faj CsB-régióját, és azt tapasztalták, hogy bizonyos szakaszok (szekvenciák) közösek a halaknál és a Tetrapodáknál. Ez a megőrződés lehetővé tette a kutatók számára, hogy megpróbálják kicserélni a fajok között ezeket a szakaszokat, és így megvizsgálják, vajon így is be tudják-e kapcsolni az úszóban vagy a lábban történő génkifejeződést.

Az eredmények figyelemre méltóak. Az egér CsB-je bekapcsolta a génkifejeződést a zebrahal fejlődő úszójának a szélein, de ami még meghökkentőbb, hogy mind a zebrahal, mind a rája CsB-je képes volt aktiválni a génkifejeződést az egér végtagjának csuklójában és a testhez közel eső ujjaiban.

"Ezek a szekvenciák a 400 millió éves szétválás ellenére is működnek ezekben a szervezetekben" - mondja Schneider. "A kéz és az úszó puszta összehasonlításával megfigyelhető, morfológiailag talán nem nyilvánvaló homológiák visszavezethetők a genomra, ahol azt tapasztaljuk, hogy az ezeknek a struktúráknak a kialakulásáért felelős szabályozó régiók ma is jelen vannak, és közösek ezekben a szervezetekben."

A további kutatások arra koncentrálnak majd, hogy alaposabban kiderítsék, miként működnek a génszabályozási rendszerek. A génkifejeződés időzítésének vagy helyének finom változásai drámai anatómiai különbségeket hozhattak létre, és ezek az anatómiai különbségek lehetővé tették, hogy a gerincesek meghódíthassák a szárazföldet.