För femhundra miljoner år sedan var det relativt säkert att gå tillbaka i vattnet. Det beror på att varelser från djupet ännu inte hade utvecklat käkar. I ett nytt par studier i eLife och Utveckling , avslöjar forskare ledtrådar om ursprunget till denna spännande evolutionära innovation hos ryggradsdjur.

I studierna tittade Mathi Thiruppathy från Gage Crumps laboratorium vid USC, och samarbetspartnern J. Andrew Gillis från University of Cambridge och Marine Biological Laboratory, på embryonal utveckling som ett sätt att få insikt i evolution – ett tillvägagångssätt som kallas "evo-devo" ."

Hos fiskar delar käkarna ett gemensamt utvecklingsursprung med gälar. Under utvecklingen uppstår både käkar och gälar från embryonala strukturer som kallas "pharyngeal bågar". Den första av dessa bågar kallas mandibulärbågen eftersom den ger upphov till käkar, medan ytterligare bågar utvecklas till gälar. Det finns också anatomiska likheter:gälarna stöds av övre och nedre ben, vilket kan ses som analogt med över- och underkäken.

"Dessa utvecklingsmässiga och anatomiska observationer ledde till teorin att käken utvecklades genom modifiering av en förfäders gäl," sade Thiruppathy, som är eLife studiens första författare och en Ph.D. student i Crump Lab. "Även om den här teorin har funnits sedan slutet av 1800-talet, är den fortfarande kontroversiell än i dag."

I avsaknad av tydliga fossila bevis, eLife publikationen presenterar "levande" bevis till stöd för teorin att käkar härstammar från gälar. Nästan alla fiskar har en liten anatomisk struktur som kallas en "pseudogren", som liknar en rudimentiell gäl. Emellertid var denna strukturs embryonala ursprung osäkert.

Med hjälp av eleganta avbildnings- och cellspårningstekniker hos zebrafisk visade Thiruppathy och hennes kollegor slutgiltigt att pseudobranchen härstammar från samma underkäksbåge som ger upphov till käken. Forskarna visade sedan att många av samma gener och regleringsmekanismer driver utvecklingen av både pseudobranchen och gälarna.

I en relaterad studie just publicerad i Development , Gillis och hans Cambridge-kollega Christine Hirschberger visar att skridskor också har en mandibulär båghärledd pseudobranch med genetiska och utvecklingsmässiga likheter med en gäl. Medan zebrafiskar är benfiskar, representerar skridskor en helt annan evolutionär klass av käkade ryggradsdjur:broskfiskar.

"Våra studier visar att underkäksbågen innehåller det grundläggande maskineriet för att skapa en gälliknande struktur", säger Crump, eLife studiens motsvarande författare, och en professor i stamcellsbiologi och regenerativ medicin vid Eli and Edythe Broad Center for Regenerative Medicine and Stem Cell Research vid Keck School of Medicine i USC. "Detta antyder att strukturerna som härrör från underkäksbågen - pseudogrenen och käken - kan ha börjat som gälar som modifierades under loppet av djup evolutionär tid."

Gillis, som är motsvarande författare till Utvecklingen studie och en medförfattare på eLife studie, tillade:"Tillsammans pekar dessa två studier på att en pseudogren finns i den sista gemensamma förfadern till alla käkade ryggradsdjur. Dessa studier ger lockande nya bevis för den klassiska teorin att en gälliknande struktur utvecklats till ryggradsdjurens käke."

Peter Fabian, en postdoktorand i Crump Lab vid USC, är också medförfattare på eLife studie.