Nedořešené otázky v modelu homeotického posunu – Bever et al. a Young et al. o prstech ptáků

    Lze už považovat problém číslování ptačích prstů za překonaný? Pravdou je, že embryologové už asi nenajdou silnější důkazy pro to, že prsty dospělých ptáků vyrůstají z mezenchymálních kondenzací (anlagen) II, III a IV, než jsou opakovaná pozorování původně pětiprsté ruky, kterým v průběhu vývoje mizí prsty I a V (Larsson & Wagner 2002; Galis et al. 2003). Paleontologové mají podobně silné doklady pro redukci počtu prstů - tentokrát ovšem na I, II a III - k dispozici ještě déle. Hypotéza homeotického posunu, která byla navržena k tomu, aby oba typy důkazů sjednotila, navíc byla testována (Vargas et al. 2008; Tamura et al. 2011). Je tedy otázka zodpovězena?

    Dva nové články z evo-devo žurnálů naznačují, že ne. Ani jedna strana problému není úplně uzavřena: embryologové před sebou stále mají zajímavou otázku, jaké mechanizmy se na homeotické transformaci podílely (v této otázce výrazně pokročili Tamura et al. 2011); paleontologové se zas mohou zabývat tím, kdy v teropodní evoluci k posunu došlo. Xu et al. (2009) např. vyvolali vlnu nevole, když navrhli, že se tak mohlo stát opravdu brzo - už před vznikem tetanur, čili kladu, který kromě ptáků zahrnuje také řadu ptákům-podobných dinosaurů (kteří s ptáky tvoří skupinu Maniraptoriformes), tyrannosauroidy, allosauroidy včetně populárních karcharodontosaurů a megalosauroidy typu spinosaura.
    Nové studie se věnují oběma těmto stranám. Mezi jmény jejich autorů nalezneme určité průniky, především pak jméno Güntera P. Wagnera, který spolu s paleontologem J. A. Gauthierem hypotézu homeotického posunu na konci 90. let navrhl (Wagner & Gauthier 1999). První z těchto studií (Bever et al. 2011) je paleontologická a je jen logické, že se do ní zapojil i Gauthier sám. Autoři v abstraktu konstatují, že paleontologická podpora pro hypotézu posunu byla zpochybněna. Může to znít zvláštně, ale autoři mají na mysli předloňský popis limusaura. To, co se nám tato studie pokoušela říct, jsem na blogu zreprodukoval už několikrát, ani jednou jsem ale nebyl s výsledkem úplně spokojený. Zkusím to tedy ještě jednou: autoři místo Wagnerovy a Gauthierovy představy, že kondenzace pro první prst (C1) v jednom okamžiku evoluce zanikla a první prst (D1) místo ní začala vyvíjet kondenzace druhá (C2), přišli s tím, že zatímco metakarpály tříprstých tetanur se podobají metakarpálům II, III, IV starších teropodů, prsty, které se na ně napojují, pro změnu připomínají prsty I, II, III. Xu et al. (2009) tedy navrhli, že morfologické rysy ("identity") prstů I, II, III zanikly, aby je u tetanur znovu vymodelovaly prsty II, III, IV. To Wagner a spol. vnímají jako oprávněný útok na svou hypotézu, jelikož to opravdu znamená něco úplně jiného - jak dotčení autoři konstatovali ve své první reakci na celý problém (Vargas et al. 2009; viz zde), není ani moc jisté, jestli bychom něčemu takovému vůbec mohli říkat homeotický posun.
    Bever et al. (2011) souhlasí s autory limusaurova popisu v tom, že k posunu došlo dříve, než navrhovali Wagner & Gauthier (1999), jejich představu o průběhu celé události ale ani nadále nesdílí. K takovému závěru je dovedlo zamyšlení se nad otázkami, a) jak lze průběh homeotického posunu vypozorovat z kostí, b) zda dnes známá fosilní data hypotézu posunu podporují a c) v jakém místě teropodního vývojového stromu k transformaci I, II, III → II, III, IV došlo. Připomeňme, že Wagner & Gauthier (1999) zasadili tuto událost mezi megalosauroidy a zbytek tetanur (Neotetanurae; odpovídá kladu Allosaurus + vrabec). Nový model, který Bever a spol. předkládají, počítá s relativně rozsáhlou zónou "developmentálního polymorfizmu". O něm už více v následující části, která se týká druhé studie (za níž stojí částečně shodné složení autorů):

Obrázek 1 (vlevo nahoře) prezentuje 3 hypotézy, které se snaží uvést do souladu konfliktní paleontologická a embryologická data - hypotézu pyramidové redukce (A), hypotézu přesunu primární osy (B) a hypotézu homeotického posunu (C). V levém sloupci jsou uvedeny pozice jednotlivých kondenzací, z nichž prsty budou vyrůstat; v pravém konečná identita každého prstu. Barvy jsou zvoleny podle identity (oranžová - prst I, žlutá - prst II, modrá - prst III, zelená - prst IV, černá - prst chybí). "X" znamená, že na dané pozici prst chybí. Černý rámeček ukazuje pozici primární osy v dané hypotéze. Hypotéza prezentovaná v popisu limusaura (Xu et al. 2009) je považována za variaci na hypotézu pyramidové redukce.

Obrázek 2 (vpravo nahoře): fylogenetický výskyt homeotického posunu v rámci teropodů. (A) Model laterální ztráty prstů - prsty ubývají na jedné (vnější) straně ruky. (B) Bilaterální model, předpokládající zachování Morseova pravidla, podle nějž jsou přednostně ztráceny ontogeneticky nejpozdnější prsty 1 a 5. Bilaterální model vyžaduje, aby k posunu došlo ještě před ztrátou prstu IV. (C) Model developmentální variability; varianta bilaterálního modelu, která klade homeotický posun těsně před vznik kladu Averostra (v pojetí autorů vylučujícího dilofosauridy). Kladogram je upraven z Xu et al. (2009). Ilustrace rukou jsou škálované tak, aby zachovávaly stejnou proximodistální délku. Pro zdroje ilustrací viz původní publikaci. Barvy reprezentují stejné prsty jako na Obrázku 1 s tou výjimkou, že chybějící prsty (= holé metakarpály) jsou nyní zachyceny bíle.

Obrázek 3 (dole): pozice, identita a exprese HoxD genů v prstech původní (A) a homeoticky transformované (B) ruky. Ancestrální stav, reprezentovaný např. myší, charakterizuje identita prstů spřažená s jejich pozicí (D1 vyrůstá z C1 atd.). HoxD-13 je exprimován ve všech pěti prstech, HoxD-8–12 ve všech mimo první kondenzace (C1). V transformované ruce pozice 2–4 vyvíjejí identity I–III, čemuž odpovídá i posun v genové expresi. HoxD-13 je opět exprimován ve všech vyvíjejících se prstech, ale exprese HoxD-8–12 je omezena na kondenzace 3 a 4, resp. identity II a III. Šedá plocha znázorňuje oblast exprese HoxD-8–12.

    Druhou ze zmíněných studií prezentují Young et al. (2011). Ta opět přichází s tím, že hypotéza homeotického posunu (Frame Shift Hypothesis) je dobrým vysvětlením pozorovaných dat. Upozorňuje také, že s tím, že ptačí prsty rostou z kondenzací, které jsou homologické s prsty 2, 3, 4 ostatních čtvernožců, nic neuděláme. To je docela důležitá zpráva pro některé paleontology - jakkoli nechci jeho znalosti v dané problematice zpochybňovat, Darren Naish např. opakovaně označil embryologickou evidenci za "chybně interpretovanou" a domnívá se, že ptačí palec skutečně vyrůstá z první pozice. Pěkné, ale protože celá řádka embryologů by byla (a byla) ochotna označit za chybně interpretovanou paleontologickou evidenci, daleko bychom se s přístupem typu "špatně to děláte vy!" nedostali. Zpět ale k Youngovi a spol. Ti uvádějí, že podobným způsobem roste evidence pro to, že "developmentální programy" ptačích prstů jsou zděděné od prstů, které se u archaických teropodů nacházely na pozicích 1, 2, 3. Tady je důležité poznamenat, že v rozporu s intuicí je identita prstů (tedy tvar, počet prstních článků neboli "falangeální formulka" a morfologické rysy) naprosto nezávislá na pozici, ze které prst roste. Experimenty na kuřatech prokázaly, že vhodnými zásahy do ontogeneze můžeme libovolný prst nechat vyrůst prakticky na libovolném místě.* To, co určuje identitu prstu, je exprese specifických genů, nazývaných HoxD (identitu palce např. formuje to, že geny HoxD-10, HoxD-11 a HoxD-12 se zde neexprimují). Young et al. (2011) předkládají nové otázky, které bude muset budoucí výzkum zodpovědět - zabývat se nicméně tím, zda k homeotickému posunu opravdu došlo, je už zbytečné. Tady debata skončila.
    Autoři znovu ukazují, v čem je hlavní rozdíl jejich (a původní Wagner-Gauthierovy) hypotézy oproti té, kterou předložili Xu et al. (2009): oni předpokládají, že identita prstu I (D1) byla v teropodní evoluci zachována a během posunu se pouze "přepla" na kondenzaci C2, zatímco "limusaurův model" počítá s tím, že identita zanikla a časem se, krůček po krůčku, znovu vynořila na prstu D2. To není homeotický posun, nýbrž prachobyčejná konvergence, kde morfologie prstů II, III, IV konvergují s morfologiemi ("identitami") prstů I, II, III dřívějších teropodů. Xu et al. (2009) nejsou první, kteří navrhli, že ztráta prstů u teropodů probíhala normálním způsobem, tj. z obou stran ("hypotéza pyramidové redukce"), a že se morfologie zbylých pozic přizpůsobila tomu, jak dříve vypadaly prsty na odlišných pozicích, protože to bylo výhodné - stejně tuto událost interpretovali Kundrát (2009; Kundrát et al. 2002) a Galis et al. (2003). Tato hypotéza vyžaduje, aby na každé původní kondenzaci zanikl zcela nezávisle každý jednotlivý rys, které dohromady skládají identitu prstů I–III (a snad i IV, uvážíme-li čtyřprsté bazální tetanury), a aby tyto rysy byly nezávisle, konvergentně znovu nabyty na pozicích 2 až 4 (či 5). Xu et al. (2009) toto nevzali v úvahu, když svou hypotézu popisovali jako úspornější. Young et al. (2011) také citují Bevera a spol. o tom, že představy Xua a kolektivu o homeotickém posunu - konkrétně o tom, že může probíhat dlouhodobě a stupňovitě - jsou chybné. Ztrátu identity prstu I, ke které u limusaura prokazatelně došlo (jak ukazuje jeho holý metakarpál bez prstních článků) pak Young et al. (2011) interpretují jako apomorfii ceratosaurů, která nemá žádný význam při diskuzi o ptačí evoluci. U tohoto tvrzení jsou citovány práce Vargas et al. (2009) a Bever et al. (2011).
    Young a spol. přichází s novým modelem redukce a ztráty prstů v teropodní evoluci, který opravuje starší koncept Wagnera a Gauthiera. Díky průniku v týměch autorů si můžeme být jisti, že jde o stejný model, který předkládají Bever et al. (2011). Jak autoři poznamenávají, všichni se shodnou na tom, že první prst, který pleziomorficky pětiprstá ruka ztratila, byl ten pátý. Potud je vše jasné. Dosavadní model homeotického posunu potom předpokládal, že další na řadě je prst čtvrtý, a teprve potom, co byl ztracen i ten, následovala samotná transformace. Tuto událost je tedy třeba datovat do pozdější doby, než když v juře zmizely poslední známky 4. prstu, ale dříve, než v křídě vznikl ptačí korunní klad. Jelikož víme, že v rámci dinosaurů je obecnou tendencí redukovat prsty z vnější strany ruky, dává takový scénář smysl. Autoři nicméně upozorňují, že pořadí, v jakém jsou prsty redukovány, nemusí odpovídat pořadí, v němž jsou ztráceny. Prsty 1 a 5 se během ontogeneze vyvíjejí jako poslední, a jako první tedy bývají ztráceny v průběhu fylogeneze. Bylo by značně atypické, kdyby u teropodů ztráta prstů postupovala od vnější strany (v pořadí 5, 4,...) - autoři se spíš přiklánějí k tomu, že obecná vývojová zákonitost zvaná Morseův zákon (která předpokládá, že později se vyvíjející okrajové prsty mizí dříve než ranější prsty prostřední) platila i pro ně. Pak by bylo nutné posunout homeotickou transformaci do období mezi ztrátou 4. a 5. prstu, kterou je samozřejmě na vývojovém stromě třeba hledat hlouběji - u zrodu kladu Averostra (který autoři interpretují jako Ceratosauria + Tetanurae, přestože v jejich stromku by podle původní apomorphy-based definice Paula [2002] klidně zahrnovat i dilofosaura**). To znamená, že posun se netýkal jen prstů I, II a III, ale i prstu IV. Tříprstá ruka moderních ptáků vznikla, když z páté kondenzace (C5) zmizela identita prstu IV (D4). Model developmentální variability (DVM), který představili Bever et al. (2011), potom říká, že existoval čas (a specifické místo na kladogramu), v němž byla relativně vysoká pravděpodobnost, že prsty s identitami I–IV vyrostou jako na kondenzacích 1–4, tak 2–5. Když se potom snížila schopnost kondenzace C1 vyvinout funkční prst, došlo ke dvěma paralelním jevům. Již "posunuté" jedince, jejichž potomky jsou i všichni žijící ptáci, to nijak nezasáhlo, neboť jejich prsty už vyrůstaly z pozic 2–5. "Neposunutí" jedinci kompletně ztratili identitu prstu I, i nadále jim ovšem zůstaly prsty II–IV na původních pozicích 2–4. Právě to zřejmě demonstruje Limusaurus, který podle Younga a spol. pochází z neposunuté části developmentálně variabilní zóny. Je tak nakonec docela dobře možné, že dichotomie "posunutí/neposunutí" zcela přesně pasuje na konkrétní štěpení kladogramu, a to Tetanurae/Ceratosauria.
    Autoři si kladou otázku, zda je možné, že by období developmentální variability zanechalo nějaký otisk ještě v ontogenezi dnešních ptáků, a zda nemůže extrémní redukce předních končetin u ceratosaurů (spolu se sníženým selekčním tlakem, který na ně působil) vysvětlit, proč se modifikace jejich rukou tak radikálně liší od ostatních tetrapodů.
    Na studii je velmi cenný jeden praktický návrh. Když tedy už víme, že konfliktní číslování používaná embryology a paleontology jsou v obou případech pravdivá, co dělat, aby se předešlo zmatku? Je palec např. opravdu pořád palec, když vyrůstá z místa pro ukazováček? Je důvod vnutit jedné skupině číslování té druhé, jak to navrhli Tamura a spol.? Evidentně ne - někdy nám prostě víc záleží na pozici prstů, jindy na jejich identitě. Young et al. (2011) tedy navrhují následující: jde-li nám o homologii míst kondenzace bez ohledu na to, jakou jim v pozdější fázi vývoje HoxD geny přiřknou identitu, použijeme arabská čísla, čili 1–5. Z tohoto pohledu jsou ptačí prsty 2, 3, 4, neboť když je srovnáme s primitivně pětiprstou rukou (jakou konzervujeme třeba my, lidé), vyrůstají z pozic, na kterých se vyvíjí 2., 3. a 4. prst. Zajímá-li nás ovšem identita prstů, jako je počet prstních článků a jejich morfologické rysy - vlastnosti, které jim později vtisknou HoxD geny - použijeme římská čísla, I–V. Oba pohledy mají stejnou platnost, ale jen v kontextu jejich odlišných vývojových stadií. Tohoto systému se ujímám i na blogu.


*Aby ale nedošlo k omylu, že jediné známé případy "frame shiftu" (= homeotického posunu) vytváříme uměle my sami: Young et al. (2011) např. citují případ scinka hadovitého, Chalcides chalcides, kde pozice primární růstové osy při embryonálním vývoji nasvědčuje číslování prstů jako 2, 3, 4; kdežto morfologické rysy, jako je srůst nejpřednějšího distálního karpálu a metakarpálu - svědčí ve prospěch modelu I, II, III. Stejně tak falangeální formulka naznačuje, že identity prstů jsou ve skutečnosti I, II a III. Italský scink je tak dokonalým ekvivalentem ptáků.

**Averostra sensu Paul je jméno kladu založené na přítomnosti tzv. promaxillárního okna, které mají tetanury, ceratosauři, Dilophosaurus a několik jeho příbuzných. Ačkoli třetí skupina je obvykle pokládána za součást kladu Coelophysoidea, jehož bazálním zástupcům tento rys chybí. V některých fylogenetických hypotézách ale dilofosauridi stojí na kladogramu mezi celofyzoidy a ceratosaury (Smith et al. 2007), a pak by o součást Averostra jít mělo. Aby to ale nebylo tak jednoduché, bylo toto jméno předefinováno tak, aby odkazovalo na uzel Ceratosauria + Tetanurae, který takovou nestabilitou netrpí (Ezcurra & Cuny 2007). V tomto smyslu jej používají i Xu et al. (2009) a Young et al. (2011).

Pozn.: Je to trochu smutné, ale až po dvou letech a jedné dobře napsané studii jsem pochopil, v čem je rozdíl mezi Wagner-Gauthierovým modelem "frame shiftu" a návrhem Xua a spol. Tímto do příslušných článků zařazuji sekci Errata s odkazem na tento článek.

Zdroje:

• http://scienceblogs.com/tetrapodzoology/2009/06/limusaurus_is_awesome.php
• http://scienceblogs.com/tetrapodzoology/2010/06/clubs_spurs_spikes_and_claws.php
• http://scienceblogs.com/pharyngula/2009/06/digit_numbering_and_limb...#c1716886
• Bever GS, Gauthier JA, Wagner GP 2011 Finding the frame shift: digit loss, developmental variability, and the origin of the avian hand. Evol Dev 13(3): 269–79
• Ezcurra MD, Cuny G 2007 The coelophysoid Lophostropheus airelensis, gen. nov.: a review of the systematics of "Liliensternus" airelensis from the Triassic-Jurassic outcrops of Normandy (France). J Vert Paleont 27(1): 73–86
• Galis F, Kundrát M, Sinervo B 2003 An old controversy solved: bird embryos have five fingers. Trends Ecol Evol 18(1): 7–9
• Kundrát M 2009 Primary chondrification foci in the wing basipodium of Struthio camelus with comments on interpretation of autopodial elements in Crocodilia and Aves. J Exp Zool Mol Dev Evol 312B: 30–41
• Kundrát M, Seichert V, Russell AP, Smetana K 2002 Pentadactyl pattern of the avian wing autopodium and pyramid reduction hypothesis. J Exp Zool 294: 152–9
• Larsson HCE, Wagner GP 2002 Pentadactyl ground state of the avian wing. J Exp Zool Mol Dev Evol 294B: 146–51
• Paul GS 2002 Dinosaurs of the Air: the Evolution and Loss of Flight in Dinosaurs and Birds. Baltimore: Johns Hopkins Univ Press
• Smith ND, Makovicky PJ, Hammer WR, Currie PJ 2007 Osteology of Cryolophosaurus ellioti (Dinosauria: Theropoda) from the Early Jurassic of Antarctica and implications for early theropod evolution. Zool J Linn Soc 151: 377–421
• Tamura K, Nomura N, Seki R, Yonei-Tamura S, Yokoyama H 2011 Embryological evidence identifies wing digits in birds as digits 1, 2, and 3. Science 331(6018): 753–7
• Vargas AO, Kohlsdorf T, Fallon JF, VandenBrooks J, & Wagner GP 2008 The Evolution of HoxD-11 expression in the bird wing: insights from Alligator mississippiensis. PLoS ONE 3(10): e3325
• Vargas AO, Wagner GP, Gauthier JA 2009 Limusaurus and bird digit identity. Nature Precedings hdl.handle.net/10101/npre.2009.3828.1
• Wagner GP, Gauthier JA 1999 1,2,3 = 2,3,4: a solution to the problem of the homology of the digits in the avian hand. Proc Natl Acad Sci USA 96: 5111–6
• Xu X, Clark JM, Mo J, Choiniere J, Forster CA, Erickson GM, Hone DWE, Sullivan C, Eberth DA, Nesbitt SJ, Zhao Q, Hernandez R, Jia C-K, Han F-L, Guo Y 2009 A Jurassic ceratosaur from China helps clarify avian digit homologies. Nature 459(7249): 940–4
• Young RL, Bever GS, Wang Z, Wagner GP 2011 Identity of the avian wing digits: problems resolved and unsolved. Dev Dynam (Special Issue on Limb Development) 240(5): 1042–53