Sonic Hedgehog-genet driver embryonal udvikling af pattedyrs lemmer og hajpermer. Kunne vores lemmer have udviklet sig fra gæller?
Skelet af en embryonisk bambushaj, set fra undersiden. Gill arch vedhæng strækker sig fra hver side af hovedet. Direkte under dem er et par finner. Billede via Andrew Gillis.
I 1878 foreslog den tyske anatomist Karl Gegenbaur, at parrede menneskelige lemmer - ligesom vores hænder og fødder - udviklede sig fra de parrede fins af fisk og før det fra fiskens gæller. Men der var ingen fossile beviser for at verificere hans teori.
Ny genetisk forskning tyder på, at Gegenbaur kan have været på rette vej. Et papir, der blev offentliggjort i april 2016, i tidsskriftet Udvikling rapporterer, at Sonic Hedgehog-genet - der allerede er kendt for at være essentielt for udvikling af embryo hos pattedyr, såsom mennesker, herunder dannelse af lemmer - også er ansvarlig for at udvikle vedhæng, der kaldes grenstråler i skateembryoer.
Hudflapper, der beskytter guldene fra bruskfisk - hajer, skøjter, stråler - understøttes af buelignende bruskstrukturer. Fremspringende fra disse bruskbuer er grenstråler.
Dr. Andrew Gillis ved University of Cambridge og også tilknyttet Marine Biologisk Laboratorium var hovedforsker i denne undersøgelse. Han sagde i en erklæring:
Gegenbaur kiggede på den måde, som disse forgreningsstråler forbinder med gillebuerne og bemærkede, at den ligner meget den måde, som finn- og lem-skeletet artikulerer med skulderen.
Sonic Hedgehog-genet, opkaldt af en forsker ved Harvard Medical School efter Sonic the Hedgehog-videospilserien af Sega, leder udviklingen af parrede lemmer hos pattedyr. Det, der er blevet opdaget her, er, at dette samme gen også leder de forgrenede stråler, som understøtter gale af hajer, stråler og skøjter.
Genets rolle i embryonal udvikling af pattedyr - såvel som i hajer, stråler og skøjter, der optrådte meget tidligere i fossilprotokollen - antyder, at lemmer udviklede sig fra gillbue-vedhæng.
En anden mulighed er imidlertid, at Sonic Hedgehog-genet forekommer i to meget forskellige typer dyr og bruges til forskellige formål. Gillis sagde:
Det faktum, at Sonic Hedgehog-genet udfører de samme to funktioner i udviklingen af gillebuer og forgreningsstråler i skateembryoer, som det gør i udviklingen af lemmer i pattedyrembryoer kan hjælpe med at forklare, hvordan Gegenbaur ankom til hans kontroversielle teori om finners oprindelse og lemmer.
Skeletpræparat af en skøjte i det sene stadium af embryonal udvikling. Billede via Andrew Gillis.
Gillis forklarede, at Sonic Hedgehog-genet etablerer aksen på et lem tidligt i udviklingen af pattedyrembryoer og fortsætter med at lede væksten, indtil lemmet er fuldt dannet. Han sagde:
I en hånd fortæller Sonic Hedgehog for eksempel lemmet, hvilken side der vil være tommelfingeren, og hvilken side vil være den pinkige finger.
Gillis og hans team opdagede, at Sonic Hedgehog-genet fungerede på lignende måde i skateembryogrenstrålevækst og udvikling af pattedyrs embryolem. De afbrød genets funktioner i forskellige udviklingsfaser i skateembryoer. Da Sonic Hedgehog-genet blev hæmmet i de tidlige vækstfaser, voksede grenstråler fra den forkerte side af skøjtens gillebuer. Når det blev gjort i senere vækstfaser, udviklede grenstråler sig korrekt, men var færre end normalt.
I dette billede af et skøjteembryo viser mørke lilla strimler langs længden af hver gillebue sektioner udviklet af Sonic Hedgehog-genet. Billede via Andrew Gillis.
Gillis bemærkede i sin erklæring:
Overordnet set kunne disse eksperimenter fortolkes som bevis for, at lemmer deler et genetisk program med gillebuer, fordi finner og lemmer udviklede sig ved transformation af en gillebue i et forfædervirveldyr, som foreslået af Gegenbaur.
Imidlertid kan det også være, at disse strukturer udviklede sig separat, men genanvendte det samme eksisterende eksisterende genetiske program. Uden fossile bevis forbliver dette lidt af et mysterium - der er et hul i fossilregistret mellem arter uden finner og derefter pludselig arter med parrede finner.
Så vi kan ikke rigtig være sikre endnu, hvordan parrede bilag udviklede sig.
Uanset hvad dette er en fascinerende opdagelse, fordi det giver bevis for en grundlæggende evolutionær forbindelse mellem forgreningsstråler og lemmer. Mens paleontologer kigger efter fossiler for at forsøge at rekonstruere den evolutionshistorie af anatomi, forsøger vi effektivt at rekonstruere den evolutionære historie med genetiske programmer, der kontrollerer udviklingen af anatomi.
Det, vi lærer, er, at mange nye funktioner måske ikke pludselig er opstået fra bunden, men snarere ved at finpusse og genbruge et relativt lille antal gamle udviklingsprogrammer.
Videoen herunder viser den embryonale udvikling af en lille skøjte (Leucoraja erinacea):
Nederste linje: Sonic Hedgehog-genet driver embryonal udvikling af pattedyrs lemmer og hajpermer. Kunne vores lemmer have udviklet sig fra gæller?