Сердце рыб состоит всего из двух отделов: предсердия и желудочка. У земноводных и рептилий уже два предсердия. А у птиц и млекопитающих сердца закладываются такими же трехкамерными, как у их хладнокровных предков, однако со временем в желудочке происходят изменения: вырастает перегородка, делящая его пополам, что позволяет обладателям четырехкамерного сердца стать теплокровными. Какие же генетические изменения превратили кровеносную систему рептилий в нашу? «Полит.ру» публикует статью Бориса Жукова, в которой автор рассказывает об опыте биологов из США, Канады и Японии, которые попытались выяснить, какой ген отвечает за формирование межжелудочковой перегородки, и можно ли управлять этим процессом. Статья опубликована в журнале «Знание-сила» (2010. № 1).
Как известно из школьного курса зоологии, у рыб сердце состоит всего из двух отделов: предсердия и желудочка. Круг кровообращения у них всего один: из сердца через жабры ко всем тканям и от них – обратно в сердце. Крови приходится дважды (в жабрах и в остальных тканях) проходить через капиллярную сеть без дополнительной подкачки в промежутке. Это принципиально ограничивает мощность кровеносной системы рыб: течь по ней быстро кровь не может.
У земноводных уже два предсердия: в левое поступает только кровь из легких, в правое – из остальных тканей. Однако затем кровь смешивается в единственном желудочке и оттуда разносится по всему телу. Это выглядит странным: вместо богатой кислородом артериальной крови ткани получают ее смесь с венозной. Дело в том, что амфибии дышат не только легкими, но и кожей, а сосуды, идущие к коже и от нее, невозможно выделить в отдельный круг кровообращения.
У рептилий сердце тоже трехкамерное (хотя они кожей не дышат), но у некоторых из них в желудочке есть частичная перегородка. Настоящими же четырехкамерными сердцами обзавелись потомки рептилий – млекопитающие и птицы, что позволило им перейти к теплокровности.
У зародышей птиц и млекопитающих сердца закладываются такими же трехкамерными, как у амфибий и рептилий, но затем в них появляется перегородка между желудочками. Большая группа биологов из США, Канады и Японии попыталась выяснить механизмы регуляции этого процесса. Уже было известно, что в тканях зачатка сердца активен ген Tbx5. Причем если у амфибий эта активность примерно одинакова во всех участках желудочка, то у птиц и млекопитающих она максимальна в левой части зачатка и минимальна – в правой.
Для начала ученые посмотрели, как ведет себя этот ген у рептилий – ящериц-анолисов и черепах. Выяснилось, что поначалу он равномерно активен по всему желудочку. У анолисов эта равномерность сохраняется до конца эмбриогенеза, у черепах же к концу процесса активность гена в левой части начинает заметно превышать активность справа. При этом сердце анолиса получается чисто трехкамерным, а у черепахи имеется неполная перегородка.
Затем ученые создали трансгенных мышей, у которых активностью гена Tbx5 можно было управлять. Оказалось, что если отключить его во всем зачатке, у мышиных эмбрионов развивается трехкамерное «лягушачье» сердце без всяких намеков на перегородку. То же самое происходит, если этот ген одинаково активен справа и слева.
Значение этой работы выходит далеко за пределы эмбриологии и функциональной генетики. Нам уже приходилось писать (см. статью «Эволюционная ситуация», «З-С» № 11, 2009) о том, что одной из самых фундаментальных проблем современной теории эволюции является разрыв между знаниями о генетических механизмах эволюции и о макроэволюционных преобразованиях. К примеру, какие изменения в каких генах превратили кровеносную систему рептилий в нашу?
Разумеется, выяснение роли гена Tbx5 эту проблему не решает. Формирование межжелудочковой перегородки регулируется не только этим геном, да и одного лишь разделения желудочков мало – нужно еще как минимум отделить легочную артерию от общего артериального ствола. Неизвестно и то, как клетки правой и левой сторон сердечного зачатка узнают, какой должна быть в них активность Tbx5.
И тем не менее работа американо-японо-канадской группы – это один из элементов конструкции того теоретического «моста», который (как хочется надеяться) когда-нибудь свяжет генетику со сравнительной и эволюционной морфологией.
