Nya ledtrådar till hur landdjurens benmärg utvecklades

När och hur benmärg utvecklades i de tidiga landlevande ryggradsdjuren är omtvistat inom evolutionsbiologin. Med hjälp av kraftfull röntgenteknik har nu ett internationellt forskarlag, lett från Uppsala universitet, upptäckt att den här evolutionära anpassningen bör ha skett efter klivet upp på land. Studien är publicerad i den vetenskapliga tidskriften eLife.

– Det här betyder att den livsavgörande tillverkningen av röda blodkroppar i benmärg uppkom senare än vad vi tidigare trott, säger Sophie Sanchez, docent i utvecklingsbiologi vid Uppsala universitet.

De första ryggradsdjuren uppstod och utvecklades i havet för över 500 miljoner år sedan. Ungefär 100 miljoner år senare kravlade sig de första fyrbenta djuren, kallade tetrapoder, upp på land. Den här övergången krävde stora förändringar i sättet att röra sig liksom fysiologiska anpassningar till den nya miljön. Bland annat utvecklades ett nytt sätt att tillverka blodkropppar, en process som kallas hematopoes.

Hos fiskar och vattenlevande grodor tillverkas röda blodkroppar i levern och njurarna medan produktionen hos landlevande ryggradsdjur istället sker i benmärgen med hjälp av stamceller. Vissa forskare menar att det här är en anpassning hos landdjuren för att skydda den känsliga och livsviktiga blodkroppsbildande funktionen från UV-ljus och de stora temperaturskiftningar som förekommer på land. Det innebär att förflyttningen av blodkroppsproduktionen från mjukdelar till skelettet bör ha uppstått före eller under övergången från vatten till land.

Forskare från Uppsala universitet, det Europeiska synktrotronlaboratoriet ESRF i Frankrike, Comeniusuniversitetet i Slovakien, samt Flinders University i Australien har nu med hjälp av synkrotronmikrotomografi undersökt den inre benstrukturen hos lobfeniga fiskar och tidiga tetrapoder, för att testa den här teorin. Skiktröntgenbilderna som togs fram var mycket högupplösta och visade strukturer ner på mikrometernivå. Utifrån det kunde forskarna in i minsta detalj återskapa benstrukturen i 3D.

En förutsättning för att hematopoes ska kunna uppstå i skelettdelar är utveckling av en öppen märghåla där märgceller kan interagera med ett centraliserat nätverk av blodkärl och inre benytor, vilket ses hos landlevande ryggradsdjur. Hos lobfeniga fiskar är däremot märghålan fylld med benväggar som delar upp den i olika rörliknande strukturer och omöjliggör utbyte mellan märgceller och blodkärl.

Den nya 3D-modellen visade att benmärgen i överarmsbenen från 360-380 miljoner år gamla lobfeniga fiskar och tetrapoder från den geologiska perioden devon, var fördelad i separata långa rör vilket troligen hindrade utvecklingen av ett centraliserat nätverk av blodkärl och därmed omöjliggjorde hematopoes från att uppstå.

– Detta betyder att flytten av hematopoes till benmärg troligen har uppstått i både groddjur och andra landlevande tetrapoder efter övergången från vatten till land, säger Sophie Sanchez.

Forskarna tror att benmärgen spelade en roll i tillväxten av extremiteternas ben innan den blev en del i tillverkningen i tillverkningen av blodkroppar. De äldsta djur forskarna hittills undersökt där öppen benmärgshålighet finns och där hematopoes kan ha skett är de 300 miljoner år gamla Seymouria och Discosauriscus som är föregångare till de tetrapoder som började lägga sina ägg på land.

För mer information kontakta:
Sophie Sanchez, docent i utvecklingsbiologi vid Uppsala universitet och aktiv vid ESRF i Frankrike.
Tel: 076-058 92 56, E-post: sophie.sanchez@ebc.uu.se

Referens: Jordi Estefa et al. (2021), New light shed on the early evolution of limb-bone growth plate and bone marrow, eLife. DOI: 10.7554/eLife.51581