НОГИ, КРЫЛЬЯ… ГЛАВНОЕ - ХВОСТ! (ХВОСТ ЭМБРИОНА ЧЕЛОВЕКА). ЧАСТЬ 2.

[andorsm]

© Андрей Лавров, 2018
Часть 1.

PRO AND CONTRA…

Теперь перейдем, собственно, к тому, какие аргументы выдвигают сторонники наличия у человеческого эмбриона настоящего хвоста и что на эту «хвостатость» отвечают их бесхвостые оппоненты.

АРГУМЕНТЫ СТОРОННИКОВ ХВОСТА …

«Усы, лапы и хвост - вот мои документы»
Доказательства от кота Матроскина
Итак, еще с начала двадцатого века в литературе (особенно научно-популярной и особенно под влиянием Эрнста Геккеля с его теорией рекапитуляции) укоренилось мнение, что у человеческого эмбриона действительно есть хвост.

При этом, как правило, в доказательство наличия у человеческого эмбриона хвоста, аналогичного и гомологичного хвостам животных, выдвигают следующие аргументы:

1. Анатомический. Каудальный бугорок эмбриона человека похож на хвост. В частности, в нем есть элементы будущего скелета (сомиты).

«Прежде всего, важно отметить, что все люди на короткое время имеют хвост, пока они находятся в утробе. Если более конкретно, то в процессе нормального внутриутробного развития определенные клетки эмбриона развиваются в хвост, а затем исчезают в результате программируемой клеточной смерти или апоптоза…» (Adams, 2008)

«Мы обнаружили, что каудальные сомиты распространяются в хвосте до самого его кончика» (Tojima et al., 2018)

1. Генетический. У человека присутствуют те же гены, которые задействованы в формировании хвоста у животных.  Продолжим цитату из «Nature Education»:

«…Ученые определили ген называемый Wnt-3a как принципиальный регулятор этого процесса, по крайней мере у мышей (Takada et al., 1994). Исследователи также обнаружили, что и люди также обладают исправным Wnt-3a геном, как и другими генами, для которых было показано, что они вовлечены в формирование хвоста.» (Adams, 2008)

«Что это может значить, как не то, что мы все еще обладаем эмбриональными программами для производства хвоста? И действительно, недавние генетические исследования показали, что мы имеет именно теми же генами, которые создают хвосты у мышей, но эти гены при нормальных условиях деактивированы у человеческого плода» (Coyne, 2009)

1. Атавизма при рождении. Иногда люди рождаются с хвостами, что происходит из-за того, что хвост не исчезает в процессе эмбрионального развития, а продолжает свое формирование. И еще раз  обратимся к той же заметке в «Nature Education»:

«Посредством механизма регуляции генов мы используем все эти гены в иных местах и в другое время в процессе эмбриогенеза, чем остальные организмы, у которых обычно при рождении хвост есть. Но, однако если этот процесс регуляции генов каким-то образом идет неправильно, существует вероятность (хотя и небольшая) что человек действительно родится с настоящим хвостом.» (Adams, 2008)

1. Сравнительно-эмбриологический. Каудальный бугорок есть как у человека, так и у других животных, у которых из него развивается именно хвост, при этом механизмы развития хвоста и его уменьшения/исчезновения являются одинаковыми для человека и животных.

«Среди амниот механизм роста эмбрионов в длину и сомитогенеза является в высокой степени схожим и консервативным. У эмбриона цыпленка похожий [на существующий у эмбриона человека - А.Л.]  процесс, т.е. быстрое и существенное уменьшение каудальных сомитов почти на пять пар, был также идентифицирован» (Tojima, 2018)

«Разрастание каудального бугорка - это процесс, аналогичный разрастанию конечностей… Этот процесс в значительной степени консервативен (схож) у позвоночных безотносительно к тому есть ли у конечной взрослой особи хвост…» (Economides, 2003)

…И ВОЗРАЖЕНИЯ ИХ ПРОТИВНИКОВ

«Профессор, у него отвалился хвост!»
Доктор Борменталь наблюдает эволюцию в действии.
Однако противникам концепции о наличии у эмбриона человека хвоста тоже есть, что сказать. Их доводы можно сформулировать следующим образом:

1. Анатомические.

1.1. Прежде всего, стоит отметить, что в каудальном бугорке эмбриона присутствует не только мезенхима, сомиты и т.п., но и хвостовая кишка (tailgut или postanal gut) образующая единую полость с прекурсорами кишечного тракта эмбриона. Но исходя из классического определения хвоста, в нем не должно быть кишечника (т.к хвост расположен постанально). Да, хвостовая кишка в процессе эмбриогенеза исчезает (к 15-16 стадии Карнеги), ее явно не стоит ассоциировать с кишечным трактом как таковым, однако логика должна быть единой: если наличие и исчезновение хвостовой кишки не заставляет нас конструировать теории об эволюционных предках, обладавших кишечником в хвосте, почему же наличие прекурсоров позвонков (сомитов), которые также исчезают, дает нам право отождествлять каудальный бугорок с хвостом анатомически?

1.2. Далее, как было указано, разумно считать хвостом регион, расположенный постанально у взрослого организма и после клоаки у эмбриона. К сожалению, в научно-популярной (и не только) литературе этим порой пренебрегают, считая хвостом весь вытянутый конец эмбриона человека за зачатками ног. Понятно стремление авторов сделать хвост длиннее и заметнее, но это приводит к тому, что на определенных этапах в состав хвоста попадает регион клоакальной мембраны и самой клоаки, что становится уже совсем абсурдным (о расположении клоаки и ее развитии см. Kruepunga, 2018).

1.3. Наконец весьма запутанной является ситуация с «позвоночностью» хвоста эмбриона. Как уже было упомянуто, в недавней работе 2018 года (Tojima et al, 2018)  указано, что сомиты занимают весь каудальный бугорок, их общее количество достигает 41, затем происходит редукция сомитов как раз в хвостовой части эмбриона.Однако выводы данной работы противоречат результатам, полученным другим исследователями:

«На стадиях 14-16 максимальное число наблюдаемых сомитов равно 38-39 вместо 42-44, как обычно указывают. Более того, они не распространяются в конусообразный конец туловища, которой не является (содержащим позвонки) «хвостом»… (O’Rahilly, 2003)

«Находящаяся на конце эмбриона мезенхима не формирует сомитов, потому что данная часть мезенхимы - это не место размножения клеток, а место их смерти» (Hall, 2014)

Аналогично, авторы работы Xi et al. (2017), посвященной сомитогенезу на 13-14 стадиях Карнеги не видят наличия сомитов в самом конце эмбриона, придерживаясь традиционной схемы (см. выше цитату из  Schier, 2004) организации тканей задней части эмбриона (по направлению к его головной части): сначала идет недеффиринцированная мезодерма на кончике эмбриона, потом пресомитная мезодерама, далее уже из нее образуются сомиты). В то же время в своей статье Tojima et al, 2018 на 13-14 стадиях выделяют сомиты до самого конца каудального бугорка включительно. Однако фото эмбрионов на 14 стадии Карнеги из работы Hashimoto, 2013, из которых вряд ли можно сделать вывод о наличии сомитов на самом конце каудального бугорка, также заставляют усомниться в выводах Tojima et al. Также не в пользу данных авторов говорит и странное определением ими хвостового региона эмбриона (см. цитату выше), к которому они относят все, что расположено ниже зародышевых почек ног, хотя хорошо известно, что они мигрируют в процессе эмбрионального развития.

1.4. Однако согласимся с выводами Tojima et al., 2018 и допустим, что сомиты содержатся во всем каудальном бугорке. Делает ли это его хвостом? Нет, и в этом случае справедливо следующее утверждение:

«У эмбриона человека часто описывают временный «хвост», но данная интерпретация ошибочна…Каудальный конец туловища, который выглядит особенно конусообразным на стадиях 15 и 16 потому что он содержит только нотохорду и нервную трубку, однако не содержит позвонков и не является «хвостом». К 17 стадии все сомиты, вовлеченные в дифференциацию позвоночного столба, уже присутствуют.» (Müller, 2004).

Суть в том, что сомиты являются лишь предшественниками позвонков, при этом далеко не только их (а также мышц, сухожилий, хрящей, соединительной ткани  и т.д.). Позвоночник в область каудального бугорка все равно не образуется, а наличие «временных» сомитов можно объяснить, к примеру, с функциональной точки зрения. Поскольку каудальный бугорок выполняет роль важного организующего центра (см. ниже п. 5), а «задняя часть тела продолжает формировать сомиты и спинной мозг пока есть в наличии нейромезодермальные клетки-предшественники (neuromesodermal progenitors)  для того, чтобы вырабатывать данные ткани» (Kimelman, 2016), то до определенного этапа возникновение сомитов может быть «побочным» продуктом как раз участия каудального бугорка в формировании иных органов и тканей.

1. Генетические.

Как уже указано выше действительно у человека присутствуют гены, которые у других организмов ответственны за формирование хвоста. Однако сам по себе этот факт ничего не доказывает. Вернемся к заметке в «Nature Education»:

«…Ученые определили ген называемый Wnt-3a как принципиальный регулятор этого процесса [смерти клеток в хвосте - А.Л.], по крайней мере у мышей. Исследователи также обнаружили, что и люди также обладают исправным Wnt-3a геном, как и другими генами, для которых было показано, что они вовлечены в формирование хвоста. Посредством механизма регуляции генов мы используем все эти гены в иных местах и в другое время в процессе эмбриогенеза, чем остальные организмы, у которых обычно при рождении хвост есть.» (Adams, 2008).

Собственно в самой цитате уже есть ответ: и у палача, и у дровосека, и у строителя есть топоры, но  используют они их несколько по-разному и получают разный результат. Вряд ли, если мы найдем в доме у строителя топор, мы заподозрим его в том, что он обязательно рубит кому-то головы. Для такого вывода нужны не просто похожие инструменты, а конкретные доказательства (допустим следы казней на самом орудии). Тот же ген  Wnt-3a, как у людей, так и у других животных, широко используется как в эмбриогенезе, так и в последующей «взрослой» жизни организмов в большом количестве органов и тканей, в нем нет ничего специфически «хвостатого».

Кстати, в указанной выше цитате (Adams, 2008) содержится явное опровержение выше цитированного заявления Джерри Койна (Coyne,2009) о том, что у человека генетическая программа создания хвоста просто деактивирована. В реальности же гены активны и работают нормально, просто в другое время и иных местах, чем у мышей, у которых хвост формируется. У многих безхвостых животных также генетические программы схожи с мышиными (как у человека) и также нет никакой деактивации, а абсолютно стандартные в эмбриогенезе гетерохрония и гетеротопия (когда экспрессия генов идет в иное время и иных местах).

1. Против хвоста-атавизма у новорожденных.

Что касается время от времени появляющихся аномалий эмбрионального развития в виде «хвостов» новорожденных, то даже очень благожелательно относящиеся к концепции хвоста человека авторы работы Tojima et al. (2018) пишут следующее:

«Кроме того, для того чтобы определить, является ли «настоящий хвост» [как противовес «псевдохвостам», которые также появляются у новорожденных - А.Л.] рудиментом хвоста эмбриона, необходимо больше информации касательно общего количества позвонков и наличия скелетных мышечных волокон гомологичных каудальной мускулатуре эмбриона. К сожалению, большинство предыдущих сообщений не содержат данной информации; таким образом, все еще не ясно, является ли «настоящий хвост» производным эмбрионального хвоста».

Посыл авторов очень простой: внешность обманчива, нужно смотреть не просто на наличие позвонков, а искать производность структур «настоящих хвостов» от «хвостов эмбриональных» (каудальных бугорков). Пока нет данных, демонстрирующих эту связь, мы находимся в области чистых предположений.

Скептически настроенные по отношению к «хвосту эмбриона» Мюллер и О’Рейли высказались более категорично, чем предыдущие авторы:

«Аномальные проекции, иногда обнаруживающиеся при рождении, являются не имеющими позвонков каудальными отростками, часто ассоциирующимися с расщеплением позвоночника и основанными на разных болезненных состояниях, таких как липома, дермальный синус» (Müller, 2004)

Не обязательно соглашаясь с последним высказыванием, все же следует отметить, что действительно, разнообразные «хвосты» новорожденных являются теми или иными пороками развития (хотя в редких случаях единственными).

Здесь нет места для подробного описания данного феномена (хороший обзор, описание конкретных случаев и т.п. см. в  Tubbs, 2016), однако даже в самых «сильных» случаях (с точки зрения предполагаемой эволюционной связи) мы имеем дело либо с абнормальным развитием копчика, либо с «хвостами», лишенными позвонков и являющимися аномальными выростами.

При этом развитие «хвоста новорожденного» легко объясняется ошибками соответствующих программ развития эмбриона, а не эволюционным прошлым и «молчащими генами».  Для сравнения можно взять развитие уродств при полидактилии: при нормальном развитии в эмбриогенезе одна программа ответственна за «строительство» четырех пальцев, а уже другая - за образование большого пальца. В редких случаях эта программа дает сбои (образуется шесть пальцев, три пальца, два больших пальца), но бывает и еще более страшные ошибки: вместо образования большого пальца запускается программа, ответственная за построение кисти и четырех других пальцев, в результате чего образуется 8 пальцев. Наверное, никто не возьмется на основании этих уродств делать далеко идущие выводы об эволюционном родстве (с условными акантостегами).

Еще раз лишь подчеркну, что связь «хвостов новорожденных» с эмбриональными хвостами является не продемонстрированным фактом (где установлена причинно-следственная связь между эмбриональными структурами и хвостами новорожденных), а лишь гипотетическим предположением, не подкрепленным эмпирическими доказательствами (даже в плане сравнительной анатомии сомнительны аналогии между эмбриональными структурами с сомитами и хвостами новорожденных, лишенными позвонков).

Плюс нужно принять во внимание следующее: допустим на секунду, что хвост неврождённого это действительно прямое производное кончика каудального бугорка эмбриона. И что? Ведь получившийся «хвост» не имеет позвонков и анатомически не похож на хвосты других животных. Если идет о позвоночном хвосте, то для доказательства латентной «хвостатости» человека нужны только случаи дефектов развития копчика (когда он не срастается правильно, а существует как несколько самостоятельных позвонков, см., например, Nayak, 2015), однако как раз эти примеры являются наименее убедительными (т.к. очевидно являются ошибками эмбрионального и постэмбрионального развития).

1. Функционально-эмбриологические.

Наконец, самым простым и логичным объяснением наличия каудального бугорка у человека, его особенностей и схожести с подобными структурами у животных является функциональное. Как уже говорилось выше, он является сигнальным и организующим центром формирования нижней части эмбриона, а далеко не только и не столько хвоста. Приведу далеко не полный список функций:

• Каудальный бугорок выполняет важную роль (как сигнального организующего центра, так и места миграции соответствующих клеток) для развития крестцового отдела позвоночника и копчика (Carlson, 2014);
• «Эта структура играет важную роль в формировании самой задней части нервной трубки» [при вторичной нейруляции - А.Л.] (Carlson, 2014);
• «Представляется, что хвостовая почка (tail bud) вызывает как адекватное расширение дорсальной части клоаки, а также удлинение клоакальной мембраны; ее дорсальная часть особенно нужна для нормального аноректального [задний проход и прямая кишка - А.Л.] развития» (Hashimoto, 2013);
• Нарушение нормального развития и последующего регресса (исчезновения) каудального бугорка ведет к большому количеству нарушений, затрагивающих сразу несколько систем нижней части тела, включая позвоночник, кишечник, мочеполовую систему (Adle-Biassette, 2018; Herkowitz, 2011)

В целом роль каудального бугорка характеризуется следующим:

«Тысячи различных типов клеток позвоночных организованы сложным, но повторяющимся образом. Лежащий в основе строения эмбриона план реализуется, когда изначально «девственные» клетки созревают и дифференцируются в соответствии с их позиционированием. В последние годы стало ясно, что информация о позиционировании чаще всего передается через распределение градиента сигналов. В зависимости о своего расположения внутри градиента клетки открыты для разных концентраций сигнала и дифференцируются в зависимости от поступающей дозы сигнала. Но как образуется эти градиенты?.. В растущем эмбрионе клетки кончика хвоста эмбриона производят матричные РНК (мРНК), которые кодируют белковые сигналы; в процессе движения клеток от кончика хвоста уровень мРНК постепенно уменьшается. Являющийся следствием этого градиент, как думают, и регулирует созревание клеток» (Schier, 2004)

Таким образом, каудальный бугорок является не эмбриональным атавизмом хвоста, а организующим центром развития нижней части эмбриона, от корректного функционирования которого зависит развитие многих тканей, органов и систем.

1. Сравнительно-эмбриологические.

Аналогичную ситуацию мы наблюдаем и у других организмов.

«Однако, не смотря на имя, из хвостовой почки (tailbud) не обязательно образуется настоящий хвост. К примеру, у рыбки данио-рерио хвостовая почка формируется как раз после окончания гаструляции и поставляет клетки как для хвоста, так и для туловища, в то время как у цыпленка хвостовая почка формируется позже и действительно производит клетки, составляющие хвост» (Kimelman, 2016)

«В отличие о прямой и эволюционно устойчивой связи между конечностями и зачатками конечностей, отношения между анатомической хвостовой почкой (tailbud) и хвостом существенно варьируются между разными видами. Это запутанное взаимоотношение было установлено, используя карты судеб зачатков (fate maps). У рыб, таких как костистая рыба данио-рерио, анатомическая хвостовая почка делает вклад в осевые ткани туловища и ее лучше называть концевой почкой. У лягушек хвостовая почка участвует в формировании только самой задней части хвоста головастика до момента метаморфоза и потом полностью исчезает. У цыплят, у которых хвост отсутствует, производные от хвостовой почки ткани большей частью исчезают, однако наиболее ростральные сомиты включаются в туловище. У рептилий, таких как маисовый полоз, большая часть их поразительно длинного позвоночника может быть отнесено к производным хвостовой почки. Наконец, хотя некоторые из млекопитающих, таких как мыши, сохраняют хвост, человек избавляется от хвоста примерно на втором месяце развития, оставляя от него только копчик. Однако не нормальное развитие хвостовой почки у человека может привести к множеству дефектов задней нервной трубки, которые коллективно называют расщепление позвоночника (spina bifida)» (Beck, 2014)

Как указывает Kimelman, 2016 несмотря на имеющиеся значительные различия в судьбе производных каудального бугорка проведенные в последние годы исследования указывают на то, что формирование задней части туловища эмбрионов позвоночных регулируется схожим механизмом, описанным выше в п. 4 (см. цитату из Schier, 2004), суть которого заключается в использовании градиентов концентраций сигнальных продуктов, вырабатываемых как самим каудальным бугорком, так и другими клетками под его влиянием. При этом каудальный бугорок выполняет роль «дирижёра» в оркестре, играющем по меткому выражению Дениса Ноубла «музыку жизни», для всей задней части тела, а не только и не столько хвоста, как у человека, так и у других организмов, включая бесхвостых.

Этот факт важен нам при сравнении каудальных бугорков эмбрионов человека и других животных в том смысле, что он хорошо показывает функциональность каудального бугорка (п. 4 выше) вне зависимости от какой-то эволюционной связи и привязки к хвосту. У человека есть каудальный бугорок, у хвостатых животных он есть, как есть и у бесхвостых животных. В разных организмах используется похожий механизм формирования задней части тела, существует разнообразие функций и судьбы производных тканей каудального бугорка (они развиваются в те или иные структуры (не обязательно хвост) или исчезают), но наличие каудального бугорка не имеет какой-то жесткой привязки именно к анатомическому хвосту. Также нет ничего необычного в том, что структуры каудального бугорка являются временными и деградируют в процессе эмбрионального развития, это распространенное в живом мире явление. При этом даже у мыши, которая обладает анатомическим хвостом, в процессе эмбрионального развития, как у человека или цыпленка также появляются исчезают временные структуры (в каудальном бугорке это хвостовая кишка и нервная трубка, Adle-Biassette, 2018)

Окончание следует