Новое понимание латимерии: раскрыто развитие черепа и мозга коелаканта

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.