Новое понимание латимерии: раскрыто развитие черепа и мозга коелаканта

Москва, 11:36, 18 Апр 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Древняя рыба коелакант (Coelacanth) является одним из наших ближайших родственников, но многие аспекты ее биологии до сих пор неизвестны. Наше новое исследование пролило свет на развитие черепа и мозга этого существа.

Сегодня опубликовано первое описание развития черепа и мозга живого коелаканта — латимерии (Latimeria).

Эта культовая глубоководная рыба привлекала значительное внимание с тех пор, как в 1938 году был пойман живой образец. До этого считалось, что коелаканты вымерли в течение 70 миллионов лет. Латимерия занимает центральное место в генеалогическом древе позвоночных. Вместе с легочными рыбами они являются единственными живыми примерами рыб с плавниками в виде лопастей и тесно связаны с четвероногими позвоночными (Рис. 1). Поэтому латимерия имеет решающее значение для нашего понимания происхождения тетрапод и эволюции их ближайших родственников-рыб.

 

Рисунок 1. Упрощенная филогения костистых позвоночных (osteichthyans). Ракообразные, латимерия и летучие рыбы являются единственными живыми группами «рыбок с плавниками» и тесно связаны с тетраподами, обитающими на суше позвоночными. Внутричерепной сустав является примитивным признаком саркоптеригов, который встречается у многих рыб с ископаемыми лопастями и независимо теряется у четвероногих. Живой кишечнополостный латимерия является единственным живым позвоночным животным, в котором сохранен внутричерепной сустав.

Латимерия является единственным позвоночным животным с внутричерепным суставом, суставом, который полностью разделяет мозг на две части (рис. 2). Это очень примитивная особенность саркоптеригов и наблюдается у многих рыб с ископаемыми лопастями, но теряется у четвероногих (Рис. 1). Кроме того, мозг латимерии крошечный (около 1% объема полости мозга) и лежит над необычно большой хордой. Эта структура обнаруживается у ранних эмбрионов всех позвоночных, но обычно исчезает во время развития. Относительные размеры мозга и хорды очень уникальны для позвоночных.

 

Рис. 2. Трехмерные реконструкции черепа живого коелаканта (Latimeria chalumnae) на правом боковом виде. Весь череп показан слева, а справа мозг практически полностью разрезан вдоль средней линии, чтобы показать мозг (желтый) и хорду (зеленый).

То, как череп и мозг латимерии развиваются от ранней стадии жизни до взрослого, оставалось практически незарегистрированным через 80 лет после его открытия. Этот вопрос вызвал появление работы, опубликованной сегодня в Nature.

 

История началась в 2009 году, когда началась работа над нейрокраниальной анатомией латимерии. Идея заключалась в том, чтобы использовать новые методы визуализации для исследования морфологии некоторых образцов коелаканта из Музея национальной естественной истории в Париже, которые не были затронуты в течение десятилетий. Фактически, отсутствие знаний о развитии латимерии было отчасти связано с отсутствием неинвазивных методов изучения редких образцов ранних стадий развития.

Эта первоначальная работа, основанная на медицинских КТ (компьютерная томография) и МРТ (магнитно-резонансная томография), дала многообещающие результаты, но разрешение сканирования не позволило ученым наблюдать мелкие детали. Главное, нам нужно было больше образцов на разных стадиях роста, чтобы действительно что-то сказать о черепе латимерии.

Пару лет спустя были собраны несколько экземпляров из коллекций естественной истории в Германии (ZSM), Южной Африке (SAIAB) и, конечно, из Музея естественной истории Национального музея.

Затем ученые направились к европейскому синхротрону (ESRF) в Гренобле, у подножия Альп. Там было выполнено сканировании образцов (рис. 4). С помощью мощной МРТ удалось визуализировать череп и мозг ювенильного коелаканта.

 

Рисунок 4. Линия луча ID19 в ESRF. Плод соцветия длиной 5 см находится в трубе в центре изображения и готов к сканированию.

 

Сканирование с высоким разрешением позволило сделать детальные трехмерные модели черепа на каждом этапе разработки. Благодаря этим моделям мы могли выполнять «виртуальные расчленения» и наблюдать, как форма и положение различных структур головы изменяются во время развития (рис. 5).

Ученые впечатлены тем, как мозг латимерии становится настолько маленьким по отношению к черепу (рис. 5). Мозг растет, но не так сильно, как окружающие структуры. Несоответствие между мозгом и его полостью существует у других рыб, но то, что мы видим в латимерии, совершенно не имеет аналогов среди живых позвоночных.

 

Способ развития хорды также уникален по сравнению с другими позвоночными животными. Ученые думают, что это оказывает серьезное влияние на формирование мозговой оболочки и может вызвать формирование внутричерепного сустава.

 

Рисунок 5. Мозг (желтый) и эндокраниальная полость (синяя) на разных стадиях развития латимерии. Обратите внимание на уменьшение относительного размера мозга и его смещение в сторону задней части мозга во время развития.

 

Почему мозг становится таким маленьким по отношению к окружающим структурам, остается спорным. Часть ученых думает, что пространство, заполненное хордой, может в некоторой степени ограничить размер мозга, поскольку все должно вписываться в ограниченный объем головы. Положение головного мозга в задней части мозга также может быть связано с внутричерепным суставом, который, вероятно, играет роль в откусывании. Кроме того, метаболические издержки огромного электросенсорного органа, расположенного в ростральном органе (рис. 5), могут быть связаны с большим мозгом.

 

Коелаканты традиционно изображаются как группа, которая почти не развивалась в течение геологических времен. Это очень популярная легенда, и всем известно прозвище «живое ископаемое» для латимерии. Однако более внимательный взгляд на латимерию и ископаемые коелаканты быстро отвергает эту ошибочную идею. На самом деле, форма черепа и тела у латимерии довольно сильно отличается от формы ранних коелакантов девона (рис. 6). И недавно ископаемое из Швейцарии показало, что у более поздних окаменелых коелакантов могут быть удивительные формы тела (рис. 6). В этом контексте новые наблюдения ученых за развитием латимерии могут помочь нам понять механизмы, лежащие в основе изменений в форме черепа во время эволюции коелаканта.

 

Рисунок 6. Слева: упрощенная филогения коелакантов, показывающая разнообразие формы черепа в геологические времена. Справа: ископаемое целаканат Форея из триаса Швейцарии.

 

Помимо предоставления нового понимания биологии и эволюции коелкантов, новые результаты могут также помочь восстановить мозг других девонских рыб с плавниками. Хотя эндокасты (эндокраниум, заполненный осадками) довольно хорошо отражают анатомию мозга у рыб с плавниками на лучах, извлечение информации о нейроанатомии из них более сложно для рыб с плавниками в виде лопасти. Знание того, как форма мозга изменяется с окружающим мозгом во время развития латимерии, может помочь палеонтологам сделать выводы о нейроанатомии рыб с плавниками.

Новые наблюдения могут показаться довольно элементарными по сравнению с богатством знаний, которые мы имеем о развитии некоторых других позвоночных. Как ни удивительно, в течение долгого времени наши знания о развитии коелаканта были получены из ископаемых коелакантов, а не от латимерии. Эти результаты представляют собой единственное, что мы знаем о развитии латимерии.

Тем не менее, многие вопросы остаются без ответа.