Кооптация шейной мускулатуры обеспечила переход позвоночных из водной среды на сушу
Переход позвоночных животных из водной среды на сушу является одним из наиболее значимых событий в истории эволюции. Этот процесс сопровождался формированием ряда морфологических новообразований, среди которых особое значение имело появление функциональной шеи. Отделение черепа от плечевого пояса позволило обеспечить независимую подвижность головы, улучшить ориентацию относительно внешних стимулов, повысить эффективность питания и дыхания, а также создать предпосылки для дальнейшего усложнения наземного образа жизни. Несмотря на большое количество исследований, посвящённых происхождению конечностей и других адаптаций к наземной среде, происхождение шейной мускулатуры и механизмы её формирования оставались изучены недостаточно полно. Особенно сложным являлся вопрос о том, какие эмбриональные источники дали начало различным мышечным группам, расположенным на границе головы и туловища, и каким образом эти структуры преобразовывались в процессе эволюции.
Целью данной работы стало исследование происхождения и эволюции мышц, соединяющих голову и туловище, а также реконструкция механизмов формирования шеи у позвоночных животных. Авторы предположили, что ключевые элементы шейной мускулатуры могли возникнуть значительно раньше появления наземных позвоночных и присутствовать уже у древних рыб. Для проверки этой гипотезы был выполнен комплексный сравнительный анализ представителей различных групп позвоночных, охватывающих основные этапы перехода от водного к наземному образу жизни.
Для решения поставленной задачи использовалось сочетание современных методов генетического картирования, флуоресцентной микроскопии и трёхмерной томографии. На эмбрионах и личинках Danio rerio проводилось генетическое мечение клеточных популяций, происходящих из сомитной и кардиофарингеальной мезодермы, что позволило проследить их вклад в формирование различных мышечных групп. Для визуализации образцов после иммуногистохимического окрашивания использовалась светолистовая флуоресцентная микроскопия (Light-Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM).
Рисунок 1. Визуализация мышц, формирующихся из сомитной мезодермы, у личинок Danio rerio с использованием светолистовой флуоресцентной микроскопии.
Трехмерная визуализация методами светолистовой флуорисцентной микроскопии была проведена на системе Alpha3 компании PhaseView (Франция). Данная установка обеспечивает освещение образца тонким лазерным световым листом одновременно с двух сторон с использованием пары объективов Zeiss 10× NA 0.25, тогда как регистрация сигнала осуществляется через объектив Olympus 10× NA 0.60. Пространственное разрешение съёмки составляло 650 нм на пиксель при шаге сканирования 1 мкм по оси Z. Важным преимуществом системы является технология Real-Time Focus Sweeping, позволяющая поддерживать постоянную толщину светового листа по всему полю зрения. По сравнению с конфокальной микроскопией светолистовая технология обеспечивает существенно более быстрое получение больших объёмов данных, значительно снижает фототоксичность и выгорание флуорофоров, а также позволяет проводить высококачественную визуализацию крупных прозрачных образцов целиком. Благодаря этим преимуществам стало возможным получение детализированных трёхмерных изображений мышечной и нервной систем развивающихся организмов без разрушения тканей и потери пространственной информации.
Дополнительно для сравнительного анализа взрослых и ювенильных форм позвоночных использовались микрокомпьютерная томография и синхротронная томография с контрастированием мягких тканей. Полученные томографические данные подвергались сегментации и трёхмерной реконструкции, что позволило создавать цифровые модели скелета, мышц и нервных структур различных видов.
Проведённое исследование показало, что основные группы мышц, соединяющих голову и туловище, имеют консервативное происхождение среди костных позвоночных. С помощью генетического картирования на Danio rerio было установлено, что часть мышц формируется из сомитной мезодермы, тогда как мышцы cucullaris и некоторые другие структуры происходят из кардиофарингеальной мезодермы. Особенно важным результатом стало подтверждение того, что предшественники шейных мышц современных тетрапод присутствовали уже у рыб.
Рисунок 2. Генетическое картирование происхождения мышц головы и туловища у Danio rerio и схема их иннервации.
Для изучения эволюционных преобразований мышечной системы был проведён сравнительный трёхмерный анализ представителей различных групп позвоночных — от лучепёрых и кистепёрых рыб до амфибий и рептилий. Полученные данные показали, что основные элементы шейной мускулатуры появились ещё до выхода позвоночных на сушу, а дальнейшая эволюция происходила преимущественно за счёт модификации уже существующих мышечных структур.
Рисунок 3. Трёхмерные реконструкции мышц и элементов скелета у представителей различных групп позвоночных, отражающие этапы формирования шейного аппарата.
Особую роль в работе сыграл трёхмерный анализ. В отличие от традиционного изучения серийных срезов, методы светолистовой микроскопии и компьютерной томографии позволили исследовать интактные образцы и сохранить естественное расположение мышц, нервов и костных структур. Это обеспечило более точную реконструкцию анатомических связей и позволило напрямую сравнивать организацию мышечной системы у различных видов.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что формирование шеи у позвоночных происходило не за счёт возникновения новых мышц, а благодаря перестройке и функциональной адаптации уже существовавших мышечных групп. Таким образом, ключевые элементы шейного аппарата сформировались ещё у древних рыб и впоследствии были использованы для освоения наземной среды.
Рисунок 4. Схема эволюционных преобразований мышц головы и туловища в ходе перехода позвоночных от водного к наземному образу жизни.
[1] Heude, E., Dutel, H., Sanchez-Garrido, F. et al. Co-option of neck muscles supported the vertebrate water-to-land transition. Nat Commun 15, 10564 (2024).
