Vijfhonderd miljoen jaar geleden was het relatief veilig om terug het water in te gaan. Dat komt omdat wezens uit de diepte nog geen kaken hadden ontwikkeld. In een nieuw paar onderzoeken in eLife en Ontwikkeling , onthullen wetenschappers aanwijzingen over de oorsprong van deze opwindende evolutionaire innovatie bij gewervelde dieren.

In de studies keken Mathi Thiruppathy van het laboratorium van Gage Crump aan het USC, en medewerker J. Andrew Gillis van de Universiteit van Cambridge en het Marine Biological Laboratory, naar embryonale ontwikkeling als manier om inzicht te krijgen in evolutie - een benadering die bekend staat als "evo-devo ."

Bij vissen delen kaken een gemeenschappelijke ontwikkelingsoorsprong met kieuwen. Tijdens de ontwikkeling komen kaken en kieuwen beide voort uit embryonale structuren die 'keelbogen' worden genoemd. De eerste van deze bogen wordt de onderkaakboog genoemd omdat deze aanleiding geeft tot kaken, terwijl extra bogen zich ontwikkelen tot kieuwen. Er zijn ook anatomische overeenkomsten:de kieuwen worden ondersteund door boven- en onderbeenderen, wat kan worden beschouwd als analoog aan de boven- en onderkaak.

"Deze ontwikkelings- en anatomische observaties leidden tot de theorie dat de kaak evolueerde door modificatie van een voorouderlijke kieuw", zegt Thiruppathy, de eLife eerste auteur van de studie en een Ph.D. student in het Crump Lab. "Hoewel deze theorie al bestaat sinds het einde van de 19e eeuw, blijft ze tot op de dag van vandaag controversieel."

Bij gebrek aan duidelijk fossiel bewijs, de eLife publicatie presenteert "levend" bewijs ter ondersteuning van de theorie dat kaken afkomstig zijn van kieuwen. Bijna alle vissen hebben een kleine anatomische structuur, een 'pseudobranch' genaamd, die lijkt op een rudimentaire kieuw. De embryonale oorsprong van deze structuur was echter onzeker.

Met behulp van elegante beeldvormings- en celtraceringstechnieken bij zebravissen, toonden Thiruppathy en haar collega's overtuigend aan dat de pseudobranch afkomstig is van dezelfde onderkaakboog die aanleiding geeft tot de kaak. De wetenschappers toonden vervolgens aan dat veel van dezelfde genen en regulerende mechanismen de ontwikkeling van zowel de pseudobranch als de kieuwen aansturen.

In een gerelateerd onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in Development , laten Gillis en zijn Cambridge-collega Christine Hirschberger zien dat schaatsen ook een onderkaakboog-afgeleide pseudotak hebben met genetische en ontwikkelingsovereenkomsten met een kieuw. Hoewel zebravissen beenvissen zijn, vertegenwoordigen schaatsen een geheel andere evolutionaire klasse van gewervelde dieren met kaken:kraakbeenvissen.

"Onze studies tonen aan dat de onderkaakboog de basismachinerie bevat om een ​​kieuwachtige structuur te maken", zegt Crump, de eLife corresponderende auteur van de studie, en een professor in stamcelbiologie en regeneratieve geneeskunde aan het Eli en Edythe Broad Center for Regenerative Medicine and Stem Cell Research aan de Keck School of Medicine van USC. "Dit houdt in dat de structuren die voortkomen uit de onderkaakboog - de pseudotak en de kaak - misschien zijn begonnen als kieuwen die in de loop van de diepe evolutionaire tijd zijn gewijzigd."

Gillis, de corresponderende auteur van de Development studie en een co-auteur van de eLife studie, voegde toe:"Samen wijzen deze twee onderzoeken erop dat een pseudo-tak aanwezig is in de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle gewervelde gewervelde dieren. Deze onderzoeken leveren prikkelend nieuw bewijs voor de klassieke theorie dat een kieuwachtige structuur evolueerde naar de gewervelde kaak."

Peter Fabian, een postdoctoraal stagiair in het Crump Lab van het USC, is ook co-auteur van de eLife studie.