Животные подготовились к "кембрийскому взрыву" заранее.

Изучение белков, выделенных из примитивной губки астросклеры, позволило прийти к заключению, что последний общий предок всех животных уже обладал ферментом, необходимым для построения минерального скелета. Это открытие помогает объяснить «кембрийскую скелетную революцию» — одновременное появление скелетов у разных групп животных около 540 млн лет назад.

В самом начале кембрийского периода, около 540 млн лет назад, многие группы животных почти одновременно стали обзаводиться твердым минерализованным скелетом. Поскольку в ископаемом состоянии обычно сохраняются именно такие скелеты, а мягкие части бесследно исчезают, это событие в палеонтологической летописи выглядит как внезапное, «взрывное» появление многих групп животных (моллюсков, трилобитов, губок, археоциат, брахиопод, к которым несколько позже присоединяются иглокожие, кораллы, мшанки и другие). Отсюда и общепринятое название этого события — «кембрийский взрыв».

Дарвин считал кембрийский взрыв одним из фактов, не укладывающихся в его теорию постепенных эволюционных изменений. Впоследствии выяснилось, что «взрыв» на самом деле был не таким уж взрывообразным: предки многих кембрийских групп жили и раньше (см.: Я. Е. Малаховская, А. Ю. Иванцов. Вендские жители земли), но они были бесскелетными, мягкотелыми. Именно поэтому палеонтологи долго не могли обнаружить их остатков в докембрийских породах.

Загадка кембрийского взрыва, тем не менее, осталась, только теперь речь идет не о внезапном возникновении как бы «из ничего» многих типов животных, а о более или менее одновременном появлении у них минерального скелета. Это могло быть связано с изменениями условий среды. Например, к такому эффекту могло бы привести резкое уменьшение кислотности воды, в результате чего карбонат кальция (CaCO₃) — самый распространенный у животных скелетообразующий материал — перестал растворяться; предложен и целый ряд других объяснений.

Однако для того, чтобы построить скелет на основе карбоната кальция, мало одних благоприятных условий среды, нужны еще специальные гены и ферменты, при помощи которых животные могли бы контролировать образование и рост кристаллов CaCO₃ в нужных местах и в нужном количестве.

Важнейшую роль в образовании карбонатных скелетов у животных играют ферменты карбоангидразы (Carbonic anhydrase), которые примерно в миллион раз ускоряют реакцию превращения растворенного в воде углекислого газа в гидрокарбонат:

CO₂+H₂O -> HCO₃^- + H⁺

Карбоангидразы широко распространены в животном мире и, помимо биоминерализации, участвуют в выполнении множества других функций (регуляция pH, транспорт ионов, выведение CO₂ из тканей и др.). До сих пор оставалось неясным, когда и в какой последовательности разные группы животных обзаводились карбоангидразами. Возможно, они уже имели эти ферменты к началу «кембрийской скелетной революции» — в этом случае надо признать, что скелетообразование не является первичной функцией карбоангидраз у животных, но могло быть и так, что независимое приобретение генов карбоангидраз разными группами организмов как раз и послужило толчком к появлению скелетов.

Для прояснения ситуации очень не хватает геномных данных по самым примитивным многоклеточным животным, таким как губки. Биологи из Германии и Австралии решили восполнить этот пробел, изучив скелетообразующие ферменты у примитивной, архаичной губки Astrosclera willeyana. Это настоящее «живое ископаемое»: род Astrosclera существует больше 200 млн лет (с конца триасового периода), а по строению своего арагонитового скелета эта губка очень близка к формам, процветавшим еще в палеозое (так называемым строматопоратам).

Скелет астросклеры состоит из сферических арагонитовых элементов — сферулитов, которые постепенно растут и сливаются друг с другом. Ученые выделили из сферулитов органическую фракцию, а из нее — все белки. Три преобладающих белка оказались карбоангидразами. Исследователи определили их аминокислотную последовательность, а затем по этой последовательности «выудили» из генома и три соответствующих гена. Это позволило, сравнивая между собой нуклеотидные последовательности генов карбоангидраз примитивной губки и высших животных, чьи геномы уже прочтены, реконструировать эволюцию этого обширного семейства белков.

Ученые пришли к выводу, что все многочисленные и разнообразные карбоангидразы животных происходят от одного предкового белка, который имелся у последнего общего предка всех животных. В разных эволюционных линиях ген этой исходной карбоангидразы неоднократно подвергался независимым дупликациям (удвоениям). Так возникали различные новые варианты карбоангидраз. «Последний общий предок всех животных», вне всяких сомнений, жил задолго до кембрийской скелетной революции. Получается, что животные изначально были хорошо подготовлены (преадаптированы) к развитию минерального скелета — у них с самого начала были ферменты, способные резко ускорить образование карбоната кальция. Эти ферменты, очевидно, использовались докембрийскими мягкотелыми животными для других целей — как уже говорилось, у карбоангидраз в животном организме хватает работы и без скелетообразования. Когда условия среды стали благоприятствовать биоминерализации, разные группы животных, не сговариваясь, «привлекли» часть своих карбоангидраз к выполнению новой функции.

Источник: Daniel J. Jackson, Luciana Macis, Joachim Reitner, Bernard M. Degnan, Gert Worheide. Sponge Paleogenomics Reveals an Ancient Role for Carbonic Anhydrase in Skeletogenesis // Science. 2007. V. 316. P. 1893–1895.

P.S. Только что опубликована еще одна интересная работа по геномике губок. Оказалось, что у этих примитивных многоклеточных уже есть значительная часть комплекса так называемых постсинаптических белков, которые у более высокоорганизованных животных функционируют в нервных клетках и отвечают за «прием сигнала». У губок, однако, нет нервных клеток. Это исследование показало, что в ходе эволюционного становления нервной системы природа «взяла за основу» древние механизмы межклеточной коммуникации, которые уже существовали у первых многоклеточных животных.

Александр Марков, elementy.ru

Оригинал статьи на сайте elementy.ru >>>