Sivuprofiili ja dorsaalinen näkymä kolmiulotteisista renderöinneistä korkearesoluutioisista röntgenkuvista zebrafishista, polypteruksesta, dipneustista, aksolotlista, tritonista ja liskosta. Rakenteet näyttävät näytteiden etuskeletin sekä lihasryhmät, jotka yhdistävät pään kehon muuhun osaan ja joiden alkuperä on joko somittinen mesodermi (tummansininen, vaaleansininen) tai kardiopharyngeaalinen mesodermi (punainen, violetti).
© Eglantine Heude
Nature Communications -lehdessä julkaistussa artikkelissa biologit tutkivat kaulalihasten alkuaineksia ja osoittivat, että kalojen pään ja kehon muiden osien väliset lihasryhmät on hyödynnetty uudelleen kaulan muodostamiseksi, hankkien uusia maalla elämiseen soveltuvia toimintoja.
Kaulan evoluutio selkärankaisilla: avaininnovaatio maaympäristön valloituksessa
Selkärankaiset (selkärankaisia eläimiä) muodostavat laajan eläinryhmän, johon kuuluvat kalat, sammakot, matelijat, linnut ja nisäkkäät. Merkittävä vaihe niiden evoluutiossa oli siirtyminen vesielämästä maalle noin 350 miljoonaa vuotta sitten.Tämä merkittävä evoluutio mahdollistui anatomisten innovaatioiden, kuten jalkojen ja kaulan, syntymisen myötä, jotka ovat tyypillisiä neliraajaisille eläimille (tetrapodeille). Kaula, jota ei esiinny kaloilla, mahdollistaa pään liikkuvuuden eristyksissä kehosta maalla ja sisältää elintärkeitä rakenteita ilman hengittämiseen, ravinnon ottamiseen tai ääntelyyn.
Toimivan kaulan hankkiminen evoluution aikana vaati syviä kehityksellisiä muutoksia lihasluustojärjestelmässä jo alkioasteella.
Selkärankaisilla on kuvattu, että pään ja rungon lihakset ovat alkuaineiltaan ja geneettisesti erilaista alkuperää. Mesodermi on yksi kolmesta kerroksesta, joka muodostuu alkion kehityksen aikana. Pään lihakset syntyvät sydän-nielu-mesodermista, joka muodostuu alkion etuosassa, kun taas rungon lihakset kehittyvät somittisesta mesodermista. Kaula on siirtymäalue pään ja rungon rajalla, jonka alkuaineet ovat sekoittuneet, ja siinä on lihaksia, jotka ovat peräisin sekä sydän-nielu-mesodermista että somittisesta mesodermista.
Vaikka näiden lihasrakenteiden alkuaine oli hyvin määritelty, kaulan evolutiivinen alkuperä oli vielä selvittämättä.
Kaulan alkuaine ja evoluutio: sydän-nielu- ja somittinen mesodermi
Tässä tutkimuksessa, joka julkaistiin Nature Communications -lehdessä, tutkijat vertasivat pään ja rungon välisiä lihasryhmien mesodermista peräisin olevia alkuperäisiä aineksia zebrakalojen ja hiirten alkioissa. Hyödyntämällä geneettisiä jäljitystekniikoita he pystyivät osoittamaan, että näillä lihasryhmillä oli säilyneet mesodermiset alkuperät ja että ne olivat homologisia kalojen ja tetrapodien välillä.Tutkijat arvioivat sitten kahden mesodermipopulaation suhteellisia kontribuutioita kaulan syntymiseen ja sopeutumiseen. Tätä varten he vertasivat röntgenkuvantamisen (tomografia) avulla useiden nykyisten strategisten lajien lihasluuston anatomiaa, mukaan lukien keuhkokalat (polypterus, dipneusti), sammakot (akvaario, triton) ja lisko.
Jokaiselle näistä lajeista he segmentoi manuaalisesti ja rakensivat kolmiulotteisesti sellaisten luustorakenteiden ja lihasryhmien, jotka yhdistävät pään ja rungon, jotka olivat peräisin somittisesta tai sydän-nielu-mesodermista kerättyjen tietojen mukaan.
Tämä tutkimus tarjoaa tietoa kehitysmekanismeista, jotka olisivat olleet vastuussa kaulan evoluutiosta selkärankaisilla. Analyysi paljastaa, että kaulan alue on kehittynyt jo kaloissa esiintyneistä lihasryhmistä. Tulokset viittaavat siihen, että sydän-nielu- ja somittisen mesodermin vastakkaiset laajentumiset pään ja rungon alueilla alkion kehityksen aikana ovat vaikuttaneet tetrapodien kaulan syntymiseen ja sopeutumiseen.
Tutkimus ehdottaa, että muinaisten kalojen lihasryhmiä on hyödynnetty uudelleen (kooptattu) ja muokattu hankkimaan uusia hengitys-, ravinnonottamis- ja ääntelytoimintoja, jotka soveltuvat ilmassa elämiseen. Toimivan kaulan syntyminen olisi helpottanut varhaisten tetrapodien sopeutumista maaympäristöön, varmistaen näin niiden evolutiivisen menestyksen.