Американские зоологи из Флоридского университета установили, почему у змей нет конечностей.
Группа биологов из Флоридского университета выяснила, почему змеи лишились ног в ходе эволюции. Оказалось, ключевую роль сыграли мутации в регуляторном участке гена, отвечающего за закладку конечностей, — так называемого «ежа Соника». Исследование опубликовано в журнале Current Biology в 2024 году.
Главные мысли за 1 минуту
- Змеи потеряли конечности около 150 миллионов лет назад из-за трёх критических мутаций в ДНК.
- Мутации затронули энхансер ZRS — участок, управляющий активностью гена Sonic hedgehog (SHH).
- У змей с рудиментарными отростками (например, питонов) мутаций меньше, чем у полностью безногих видов.
- Ген SHH получил шутливое название в честь персонажа видеоигры Sonic the Hedgehog — и это официальный термин в биологии.
- Окаменелости древней змеи Tetrapodophis с четырьмя лапами подтверждают: предки змей ходили на ногах.
Как ген «ежа Соника» управляет ростом ног
Ген Sonic hedgehog (SHH) есть у всех позвоночных — от рыб до человека. Он кодирует сигнальный белок, который «включает» формирование пальцев и костей конечностей на ранних стадиях эмбриона. Название закрепилось с лёгкой руки учёных: когда в 1993 году этот ген нашли у мышей, исследователи вспомнили платформенную игру Sega.
Но сам по себе SHH — лишь часть механизма. Рядом с ним расположен участок ДНК под названием энхансер ZRS (Zone of polarizing activity Regulatory Sequence). Именно он решает, когда и где включится SHH. У змей этот энхансер сломан — в нём накопились мутации, из-за которых сигнал не доходит до клеток.
Три мутации, которые стёрли лапы
Учёные сравнили геномы современных змей, ящериц и древних ископаемых. Оказалось, у всех змей в энхансере ZRS отсутствует консервативный участок длиной 17 пар нуклеотидов. Это первая поломка. Вторая — утрата ещё 17 пар в другом блоке. Третья — замена нескольких оснований, которая окончательно «выключила» работу SHH в области будущих конечностей.
Интересно, что у питонов и удавов — змей, у которых сохранились крошечные рудименты таза и задних лап — повреждений меньше. А у полозов и гадюк, лишённых даже намёка на ноги, все три мутации работают вместе.
Древняя змея с четырьмя лапами: что нашли палеонтологи
Подтвердить гипотезу помогла окаменелость Tetrapodophis amplectus, найденную в Бразилии. Этой рептилии около 120–150 миллионов лет, и у неё отлично сохранились все четыре конечности. Длина тела — 20 см, а лапки — по 1–2 см, с пальцами. Строение черепа и позвоночника уже «змеиное», и это говорит, что переход к безногой форме шёл постепенно.
Но Tetrapodophis — не прямой предок змей, а одна из ветвей, сохранившая лапы. Современные змеи произошли от другой группы ящерицеобразных, которые утратили конечности независимо.
Встречаются ли сейчас змеи с ногами?
Да, хотя это большая редкость. Известны случаи, когда у эмбрионов змей формируются зачатки конечностей — но они не развиваются до конца. У взрослых особей иногда находят единичные коготки по бокам тела — рудименты тазового пояса. Например, у удавов и питонов есть небольшие шпоры — это то, что осталось от задних лап.
Генетически такие «ноги» возникают из-за обратных мутаций, которые частично восстанавливают работу SHH. Но для полноценных конечностей нужно вернуть целый комплекс генов, а не один сигнальный путь, — эволюция этого не предусмотрела.
Ответы на популярные вопросы о том, почему змеи без ног
Почему змеи вообще потеряли ноги? Им неудобно бегать?
Потеря конечностей дала змеям преимущество при зарывании в почву, плавании и проникновении в узкие норы. Энергетически ползание дешевле ходьбы, если тело удлинённое. Эволюция «сэкономила» на ногах, усилив челюсти и обоняние.
Может ли у змеи снова вырасти нога из-за генной терапии?
Теоретически — да, если ввести правильный энхансер ZRS от ящерицы в эмбрион змеи на ранней стадии. Эксперименты на куриных эмбрионах это подтверждают. Но на практике такие опыты на змеях не ставились — для этого пришлось бы редактировать геном в десятках поколений.
Есть ли змеи, у которых ноги все-таки работают?
Нет. Даже у питонов рудименты не связаны с мышцами и не двигаются. Все современные змеи — абсолютно безногие, остатки конечностей не имеют суставов и не используются для передвижения.
Что нам даёт это знание
Исследование змеиных мутаций помогает понимать, как регуляторные участки ДНК управляют развитием организма. На примере энхансера ZRS учёные видят, что одна и та же мутация может закрепиться у разных видов эволюционно выгодным способом. А для нас это ещё один аргумент, что сложные изменения — не дело магии, а результат точечных поломок в генетических выключателях, которые накапливаются миллионы лет.