Pradawnym płazom odrastały kończyny

Salamandry są wśród czworonogów najsprawniejsze w regenerowaniu utraconych części ciała: niektóre potrafią zastąpić utracone kończyny, oczy, serca (!) i ogony na każdym etapie życia. Inne salamandry potrafią regenerować części ciała tylko, kiedy są młode, przed metamorfozą w osobniki dorosłe. Żabom odrastają utracone kończyny, ale tylko te kończyny, które mają jako kijanki. Tracą tę zdolność w dorosłym wieku. Ryby potrafią zastąpić promienie na płetwach, ale nie same płetwy. Ryby dwudyszne (ryby słodkowodne w podklasie Dipnoi) potrafią zregenerować całe przednie lub tylne płetwy. Inna prymitywna ryba słodkowodna, Polypterus, potrafi zregenerować swoje płetwy piersiowe, choć nie wiadomo, czy ta zdolność ograniczona jest do osobników młodocianych. Tutaj jest Polypterus:

Wreszcie i założę się, że nie wiedzieliście tego (ja też nie wiedziałem) – my, ludzie, potrafimy zregenerować czubki palców, chociaż zdarza się to łatwiej u dzieci niż u dorosłych. Dodałem te fotografie regeneracji czubka palca, co zasugerował w komentarzu czytelnik Mark Sturtevant, a pochodzi ona z sympatycznej strony podsumowującej zdolności regeneracyjne u zwierząt. Jest to trochę makabryczne, ale dla dobra edukacji powinniśmy znieść ten widok:

Poza tym jednak ludzie nie potrafią zregenerować żadnej innej większej części swojego ciała. Badania regeneracji u salamander stało się więc rodzajem chałupnictwa w biologii, bo jeśli uda nam się zrozumieć, jak one to robią – a czynimy w tym postępy – być może uda nam się pomóc ludziom po amputacji w odzyskiwaniu ich utraconych kończyn, czego nie potrafi uczynić Bóg – choć podobno potrafi wyleczyć wiele innych schorzeń.

Informacja o regeneracji w grupach, które właśnie wymieniłem, pochodzi z nowego artykułu w „Proceedings of the Royal Society (Series B)” Nadii Fröbisch et al. (link i darmowe ściąganie pliku poniżej). Artykuł zajmuje się jednak głównie uderzającym, nowym odkryciem: skamieniałości płazów sprzed 300 milionów lat, które wyraźnie także miały zdolność regenerowania kończyn. Jest to, jak sądzę, pierwszy raz, kiedy pokazano, że jakakolwiek skamieniałość miała zdolność odtworzenia utraconych części ciała.

Autorzy badali okazy prymitywnego płaza Micromelerpton credneri z liczących sobie 300 milionów lat depozytów w Europie. Oto jak wygląda jeden z nich; jest niezwykle dobrze zachowany (skala porównawcza wynosi 1 cm). Autorzy notują, że na tym okazie można dostrzec cień skóry, pigment w siatkówce i skrzela zewnętrzne oraz wzór łusek. Nie jest to salamandra, ale prymitywny płaz, którego miejsce w drzewie czworonogów pokażę za chwilę:   

Patrząc na wiele okazów, autorzy odkryli, że w niektórych kończynach były ślady regeneracji, które przypominają takie ślady u współczesnych salamander, kiedy te tracą swoje kończyny. Twierdzą (a ja nie potrafię tego osądzić i akceptuję ich słowa), że te anomalie nie są po prostu zdeformowaniami w kończynach salamander, które powstały bez utraty owych kończyn przez salamandry. 

Tutaj jest oznaka regeneracji, dwa zrośnięte “paliczki”; normalne okazy mają cztery palce na przedniej “dłoni”, ten zaś ma rozdwojony palec, a więc jest ich pięć:

Inna, przypuszczalnie zregenerowana, kończyna, tym razem stopa. Stopy normalnie mają pięć palców, ale ta ma sześć z dwoma środkowymi palcami cieńszymi niż normalne. To, jak mówią autorzy, także jest znakiem regeneracji nie zaś zdeformowania.

Jednym potencjalnym problemem z tymi wynikami, który autorzy omawiają, jest to, że nie pokazują one, czy regeneracja odbyła się u dorosłych. Palce mogły zostać stracone i odrosły u osobników młodocianych, a ślady regeneracji po prostu przetrwały u dorosłych, które same mogły stracić zdolności regenerowania kończyn. Innymi słowy, te prymitywne płazy mogą być jak żaby albo niektóre salamandry, mając zdolności regeneracyjne tylko w młodości.

Co to oznacza dla ewolucyjnej historii regeneracji? Autorzy przedstawiają diagram filogenetyczny ryb, płazów i innych czworonogów, zarówno prymitywnych, jak współczesnych, który pokazuje ich zdolności regeneracyjne. Ryby pancerne i ryby chrzęstnoszkieletowe (raje, płaszczki i rekiny) nie potrafią regenerować utraconych części ciała. Wielopłetwcowate (Polypterus) i Dipnoi potrafią (gwiazdki mają oznaczać regenerację tylko u młodocianych, ale nie wiemy tego dla tych dwóch grup). Nie wiemy nic o „rybonogach” Tiktaalik, Acanthostega (jednym z pierwszych czworonogów z kończynami), ani o Eryops, wczesnym i wymarłym płazie. W rzeczywistości nie znamy zdolności regeneracyjnych niczego poza szarym prostokątem (wskazującym na pewną regenerację) lub żółtym prostokątem (tych gatunków, których uplasowanie filogenetyczne jest niepewne; tak więc żaby i salamandry pojawiają się w dwóch miejscach).

Owodniowce (ptaki, gady i ssaki) nie potrafią regenerować niczego.

Na podstawie tego autorzy sugerują, że ponieważ “grupa zewnętrzna” czworonogów – ryby dwudyszne i Polypterus, które są rybami – mają zdolności regeneracyjne, które mają również niektórzy ich potomkowie (żaby i salamandry), jest możliwe, że przodek wszystkich czworonogów, wczesna ryba, także miała zdolność regenerowania części ciała. Potomkowie, tacy jak my, mogli utracić tę cechę. W języku kladystyki regeneracja jest „symplezjomorficzna”: czyli jest cechą przodków.  

Alternatywną hipotezą jest, że grupy w szarych prostokątach niezależnie wyewoluowały zdolność regeneracji: byłaby to „synapomorfia”.

Obecnie nie możemy wybrać między tymi hipotezami, chociaż autorzy faworyzują pierwszą. Rodzajem dowodów, jakich potrzebowalibyśmy do podjęcia decyzji byłaby grupa wczesnych skamieniałości pokazujących zdolność regeneracji, szczególnie u bardzo wczesnych czworonogów lub ich prekursorów, takich jak Tiktaalik. Gdyby miały one tę zdolność i byłaby ona widziana u kilku wczesnych gatunków czworonogów, popierałbym tezę, że wszystkie pierwsze czworonogi potrafiły regenerować swoje kończyny, ale że pewne grupy utraciły tę zdolność.

To zaś wywołałoby pytanie: jeśli grupy takie jak gady i ssaki utraciły zdolność regeneracji części swoich ciał, to dlaczego? Zdolność ponownego odrastania utraconych części ciała wydaje się być niesłychanie korzystna. Jedną z możliwych odpowiedzi jest, że system rozwojowy tych grup ewoluował w taki sposób, iż regeneracja stała się fizycznie niemożliwa. Oczywiście jednak nie będziemy tego wiedzieli, dopóki nie zdobędziemy lepszych dowodów ze skamieniałości, jak również danych molekularnych o tym, jak dokładnie regenerują się kończyny. Gdyby podstawy molekularne i rozwojowe regeneracji były podobne u wszystkich czworonogów, sugerowałoby to odziedziczenie tego systemu od wspólnego przodka, bo byłoby nieprawdopodobne, by takie podobieństwo mogło wyewoluować niezależnie. Biolodzy pracują gorączkowo nad rozwojowymi podstawami regeneracji.

Bóg nie może przywrócić kończyny po amputacji, ale może nauka kiedyś to potrafi.

__________

Fröbisch N. B., C. Bickelmann, and F. Witzmann. 2014. Early evolution of limb regeneration in tetrapods: evidence from a 300-million-year-old amphibian. Proc R Soc B 2014 281: 20141550

h/t: Dom

Ancient amphibians could regrow their limbs

Why Evolution Is True, 25 września 2014-09-26

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska