Появление нового скелетного элемента помогло животным выйти на сушу

Ученые из Первого МГМУ имени И.М. Сеченова и ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН совместно с зарубежными коллегами подтвердили, что выход морских животных на сушу был невозможен без изменения конструкции скелета. Важнейшую роль сыграло появление костного эпифиза, скелетного элeмента, защищающего клетки пластинок роста от чрезмерных нагрузок. Результаты работы опубликованы в журнале eLife.

Рост длинных костей многих животных обеспечивают пластинки роста — участки хрящевой ткани вблизи каждого из концов кости. Изначально в эволюции четвероногих позвоночных хрящевая ткань находится на концах костей и служит для роста и артикуляции скелета. В какой-то момент эволюции она разделяется на пластинку роста и суставной хрящ, покрывающий оконечность кости. Между ними возникает костный эпифиз — небольшая косточка, которая постепенно увеличивается. К моменту, когда рост организма прекращается, пластинка роста исчезает, и эпифиз соединяется с основной частью кости. Ученые долго не могли понять, зачем нужно разделение хрящевой ткани на две схожих структуры. Ранее международный коллектив ученых показал, что костный эпифиз стимулирует образование в пластинке роста стволовой ниши, в которой сохраняются условия для самообновления и многократного деления клеток хрящевой ткани. Теперь исслeдователи попытались понять, когда у животных впервые появилась эта структура.

Эволюционный анализ показал, что эпифиз возник у высших позвоночных, к которым относятся пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие и их предки. Это были первые организмы, которые стали проводить всю свою жизнь на суше, и ученые предположили, что появление эпифиза может быть связано с намного большей, чем у морских животных, механической нагрузкой на скелет.

Авторы сравнили несколько видов, у которых конечности приспособлены к разным нагрузкам. Так, например, летучие мыши с рождения передвигаются вместе с матерью, держась за нее, а крылья начинают использовать только через пару недель, и вторичные центры окостенения в задних лапах развиваются у них значительно раньше, чем в костях крыльев. Похожая зависимость наблюдается и у тушканчиков, которые в первые две недели ползают, используя только передние конечности, на третьей неделе начинают ходить на всех четырех, а только на четвертой неделе начинают передвигаться на задних лапах. У китообразных, которые произошли от сухопутных животных, вторичный центр оссификации, наоборот, развивался все слабее и у некоторых видов исчез полностью.

Кроме того, автора статьи показали, что наиболее чувствительны к нагрузке гипертрофированные хондроциты (клетки хрящевой ткани, принципиально важные для роста костей), но в костях, где есть окостенение эпифиза, они могут выдерживать гораздо большее давление. Сделанные выводы могут пригодиться в планировании занятий спортом для подростков и молодых людей и в разработке новых хирургических методов лечения повреждений эпифиза.