Позвоночные развили способность восстанавливать кости раньше, чем считалось

Чтобы человеческое тело не превратилось в аморфную массу, требуется 206-208 костей. Однако, каким бы крепким ни казался наш скелет, он постоянно меняется благодаря четко поставленному танцу клеток, которые его разрушают и восстанавливают. Теперь, направляя мощные рентгеновские лучи из ускорителя частиц на костные чешуйки древней окаменелости рыбы, исследовательская группа обнаружила, что такое перестроение костей, вероятно, началось по крайней мере 460 миллионов лет назад.

Это почти на 100 миллионов лет раньше, чем считалось, что говорит о том, что перестройка костей началась у первых животных, имеющих скелеты. Доложенная на этой неделе на ежегодном собрании Общества интегративной и сравнительной биологии Ярой Хариди, эволюционным биологом из Чикагского университета, находка «заставляет нас переосмыслить время возникновения костей», говорит Мэтью Фридман, палеонтолог из Мичиганского университета, который не участвовал в работе. Но Хариди отмечает, что ее группа не обнаружила ключевого типа клеток, который управляет современной перестройкой костей, что говорит о том, что об эволюции костей еще многое предстоит узнать.

В современных скелетах крошечные кровеносные сосуды, которые проникают в твердый матрикс кости, обеспечивают проникновение клеток, называемых остеокластами, для разъедания старой кости и клеток, называемых остеобластами, для начала производства новой кости. Организацией процесса занимается третий набор клеток: остеоциты. Места восстановления, известные как остеоны, имеют характерные кольца, представляющие границы кровеносного сосуда и зоны существующей кости, разрушенной кости и новой кости. Процесс ремоделирования жизненно важен для восстановления и обновления кости, но у людей он может пойти не так, что приведет к остеопорозу, которым страдают более 10 миллионов человек только в Соединенных Штатах.

Среди самых ранних животных, имеющих костный скелет, — бесчелюстная рыба возрастом 460 миллионов лет, известная как Astraspis. У более ранних рыб скелет был из хрящей, но у Astraspis кость образовалась поверх хряща, что дало начало внутреннему скелету и частям защитной чешуи животных. Однако, похоже, у него не было остеонов — палеонтологи не видели их признаков до примерно 360 миллионов лет назад у челюстных рыб. Некоторые из этих рыб были агрессивными хищниками, а другие были покрыты костной броней, и палеонтологи предположили, что перестройка костей развилась, потому что им нужны были более прочные скелеты.

Но Хариди подозревала, что даже древним бесчелюстным рыбам нужен был способ выращивать и восстанавливать сломанные кости. Чтобы проследить эволюцию этого процесса обновления, она изучала окаменелости Astraspis — небольшие кусочки кожных чешуек и другие невзрачные фрагменты. Сначала она использовала подход, который ее команда разработала много лет назад с менее древними окаменелостями рыб. Применив методы машинного обучения к изображениям, полученным с помощью сканирующей электронной микроскопии 3D, которая в основном используется в материаловедении, Хариди наблюдала то, что казалось остеоцитами в этих несколько более молодых окаменелостях рыб. Когда она и ее коллеги позже использовали эту стратегию, чтобы подробно рассмотреть окаменелую чешую Astraspis, она увидела то, что казалось ремоделированием кости в ней.

А недавние рентгеновские снимки, полученные синхротроном в Аргоннской национальной лаборатории, подтвердили, что она действительно увидела структуры, похожие на современные остеоны — отличительный признак перестройки костей на 100 миллионов лет раньше. Гюнтер Вагнер, эволюционный биолог из Венского университета (UNIVIE), был среди участников встречи, воодушевленных работой. «Изучать эти ранние формы» костей было непросто, говорит он.

Но Хариди не обнаружила ни одной из характерных ямок на этих снимках, которые бы указывали на присутствие остеоцитов. Она говорит, что идея о том, что эти клетки необходимы для мобилизации ремоделирования костей в ответ на повреждение, может нуждаться в пересмотре.

«Это другой способ думать о том, как создается кость», — говорит Михаэла Павличев, эволюционный биолог из UNIVIE, которая не принимала участия в исследовании. Помимо понимания эволюции костей, работа демонстрирует методы, которые могут принести новые открытия об окаменелых клетках, говорит Наташа Шайло Хайсон, эволюционный биолог развития из Stowers Institute for Medical Research. «Это невероятно захватывающая область».