Зліва - четирехкамерное серце нормального мишачого ембріона на 12-й день розвитку. Праворуч - трикамерну серце генно-модифікованого ембріона того ж віку, у якого був відключений ген Tbx5. ra - праве передсердя, la - ліве передсердя, rv - правий шлуночок, lv - лівий шлуночок, v - неподразделенний шлуночок трикамерного серця, ot - виносить тракт. Зображення з обговорюваної статті в Nature
Поява чотирьохкамерного серця у птахів і ссавців було найважливішим еволюційним подією, завдяки якому ці тварини змогли стати теплокровними. Детальне вивчення розвитку серця у ембріонів ящірки і черепахи і порівняння його з наявними даними по амфібіям, птахам і ссавцям показало, що ключову роль у перетворенні трикамерного серця в четирехкамерное зіграли зміни в роботі регуляторного гена Tbx5. який функціонує в спочатку єдиному зародку шлуночка. Якщо Tbx5 еспрессіруется (працює) рівномірно по всьому зачатки, серце виходить трикамерним, якщо тільки з лівого боку - чотирикамерним.
Вихід хребетних на сушу був пов'язаний з розвитком легеневого дихання, що зажадало радикальної перебудови кровоносної системи. У дихаючих зябрами риб одне коло кровообігу, а серце, відповідно, двокамерну (складається з одного передсердя і одного шлуночка). У наземних хребетних - трьох- або четирехкамерное серце і два кола кровообігу. Один з них (малий) проганяє кров через легені, де вона насичується киснем; потім кров повертається до серця і потрапляє в ліве передсердя. Велике коло направляє збагачену киснем (артеріальну) кров до всіх інших органів, де вона віддає кисень і по венах повертається до серця, потрапляючи в праве передсердя.
У тварин з трикамерним серцем кров з обох передсердь потрапляє в єдиний шлуночок, звідки вона потім спрямовується і до легких, і до всіх інших органів. При цьому артеріальна кров в тій чи іншій мірі змішується з венозною. У тварин з чотирикамерним серцем в ході ембріонального розвитку спочатку єдиний шлуночок поділяється перегородкою на ліву і праву половини. В результаті два кола кровообігу виявляються повністю розділені: венозна кров потрапляє лише в правий шлуночок і виходить звідти до легким, артеріальна - тільки в лівий шлуночок, і виходить звідти до всіх інших органів.
Еволюція серця позвоночних.А. Риба: 1 - венозний синус, 2 - передсердя, 3 - шлуночок, 4 - цибулина аорти. Б. Амфібія: 1 - праве передсердя, 2 - ліве передсердя, 3 - шлуночок, 4 - артеріальний конус, 5 - ліва шкірно-легенева артерія, 6 - права дуга аорти, 7 - сонні артерії. В. Рептилія: 1 - праве передсердя, 2 - ліве передсердя, 3 - шлуночок, 4 - внутрижелудочковая перегородка, 5 - права легенева артерія, 6 - права дуга аорти, 7 - ліва дуга аорти, 8 - лівий боталлов проток, 9 - легеневі вени, 10 - порожнисті вени. Г. Ссавець: 1 - праве передсердя, 2 - ліве передсердя, 3 - правий шлуночок, 4 - лівий шлуночок, 5 - ліва легенева артерія, 6 - ліва дуга аорти, 7 - легеневі вени, 8 - порожнисті вени. Джерело: biology.bsmu.by
Формування чотирьохкамерного серця і повне розділення кіл кровообігу було необхідною передумовою розвитку теплокровности у ссавців і птахів. Тканини теплокровних тварин споживають дуже багато кисню, тому їм необхідна «чиста» артеріальна кров, максимально насичена киснем, а не змішана артеріального венозна, якій задовольняються холоднокровні хребетні з трикамерним серцем (див. Філогенез кровоносної системи хордових).
Трикамерна серце характерно для амфібій і більшості рептилій, хоча у останніх намічається часткове поділ шлуночка на дві частини (розвивається неповна внутрижелудочковая перегородка). Справжнє четирехкамерное серце розвинулося незалежно в трьох еволюційних лініях: у крокодилів, птахів і ссавців. Це вважається одним з яскравих прикладів конвергентної (або паралельної) еволюції (див. Ароморфози і паралельна еволюція; паралелізм і Гомологічна мінливість).
Схема родинних зв'язків і еволюції серця у наземних позвоночних.Сінім кольором показані області експресії гена Tbx5. Зліва направо. жаба, ящірка, черепаха, крокодил, курка, миша, людина. Мал. з обговорюваної статті в Nature
Відомо, що білок, який кодується геном Tbx5. є регуляторним - він регулює активність багатьох інших генів. На основі отриманих даних природно було припустити, що розвиток шлуночків і закладка міжшлуночкової перегородки йдуть під керуванням гена Tbx5. Раніше вже було показано, що зменшення активності Tbx5 у мишачих ембріонів веде до дефектів у розвитку шлуночків. Цього, однак, було недостатньо, щоб вважати доведеною «керівну» роль Tbx5 в формуванні чотирьохкамерного серця.
Виявилося, що якщо вимкнути ген у всьому зародку шлуночків, то зачаток навіть не починає поділятися на дві половинки: з нього розвивається єдиний шлуночок без всяких слідів міжшлункової перегородки. Характерні морфологічні ознаки, за якими можна відрізнити правий шлуночок від лівого незалежно від наявності перегородки, теж не формуються. Іншими словами, виходять мишачі зародки з трикамерним серцем! Такі зародки гинуть на 12-й день ембріонального розвитку.
Наступний експеримент полягав у тому, що ген Tbx5 відключили тільки в правій частині зачатка шлуночків. Тим самим градієнт концентрації регуляторного білка, кодованого цим геном, був різко зміщений вліво. В принципі, можна було очікувати, що в такій ситуації міжшлункової перегородка почне формуватися лівіше, ніж належить. Але цього не сталося: перегородка не почала формуватися зовсім, зате намітилося підрозділ зачатка на ліву і праву частини по іншим морфологічними ознаками. Це означає, що градієнт експресії Tbx5 - не єдиний фактор, керуючий розвитком чотирьохкамерного серця.
Отримані результати показують, що зміни в роботі регуляторного гена Tbx5 дійсно могли зіграти важливу роль в еволюції чотирьохкамерного серця, причому ці зміни відбулися паралельно і незалежно у ссавців і архозавров (крокодилів і птахів). Таким чином, дослідження ще раз підтвердило, що в еволюції тварин ключову роль відіграють зміни в активності генів - регуляторів індивідуального розвитку.
Звичайно, було б ще цікавіше сконструювати таких генно-модифікованих ящірок або черепах, у яких Tbx5 експресуватися б як у мишей і курей, тобто в лівій частині шлуночка сильно, а в правій - слабо, і подивитися, чи не стане у них від цього серце більше схожим на четирехкамерное. Але це поки технічно нездійсненно: генна інженерія рептилій ще не просунулася так далеко.