Οι νευρώνες εξελίχθηκαν δύο φορές;
Όταν ο Leonid Moroz, ένας νευροεπιστήμονας στο Whitney Laboratory for Marine Bioscience στο St. Augustine της Φλόριντα, άρχισε να μελετά για πρώτη φορά ζελέ χτενών, μπερδεύτηκε. Ήξερε ότι τα πρωτόγονα θαλάσσια πλάσματα είχαν νευρικά κύτταρα - υπεύθυνα, μεταξύ άλλων, για την ενορχήστρωση του βέλους των πλοκαμιών τους και τον ρυθμό των ιριδίζονων βλεφαρίδων τους. Αλλά αυτοί οι νευρώνες φαινόταν να είναι αόρατοι. Οι βαφές που χρησιμοποιούν συνήθως οι επιστήμονες για να χρωματίσουν και να μελετήσουν αυτά τα κύτταρα απλά δεν λειτούργησαν. Η νευρική ανατομία των ζελέ χτενών δεν έμοιαζε με τίποτα άλλο που είχε συναντήσει ποτέ.
Μετά από χρόνια μελέτης, νομίζει ότι ξέρει γιατί. Σύμφωνα με την παραδοσιακή εξελικτική βιολογία, οι νευρώνες εξελίχθηκαν μόνο μία φορά, πριν από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, πιθανότατα αφού οι θαλάσσιοι σφουγγάρια διακλαδίστηκαν από το εξελικτικό δέντρο. Αλλά ο Moroz πιστεύει ότι συνέβη δύο φορές - μία στους προγόνους των ζελέ χτενών, που χώρισαν περίπου την ίδια στιγμή με τα σφουγγάρια της θάλασσας, και μία στα ζώα που προκάλεσαν τις μέδουσες και όλα τα επόμενα ζώα, συμπεριλαμβανομένου και εμάς. Αναφέρει ως απόδειξη το γεγονός ότι οι ζελέ χτενών έχουν ένα σχετικά εξωγήινο νευρικό σύστημα, που χρησιμοποιεί διαφορετικές χημικές ουσίες και αρχιτεκτονική από τη δική μας. "Όταν κοιτάζουμε το γονιδίωμα και άλλες πληροφορίες, βλέπουμε όχι μόνο διαφορετική γραμματική αλλά και διαφορετικό αλφάβητο", είπε ο Moroz.
Όταν ο Moroz πρότεινε τη θεωρία του, οι εξελικτικοί βιολόγοι ήταν δύσπιστοι. Οι νευρώνες είναι ο πιο περίπλοκος τύπος κυττάρου που υπάρχει, υποστήριξαν οι κριτικοί, ικανοί να συλλαμβάνουν πληροφορίες, να κάνουν υπολογισμούς και να εκτελούν αποφάσεις. Επειδή είναι τόσο περίπλοκα, είναι απίθανο να έχουν εξελιχθεί δύο φορές.
Αλλά νέα υποστήριξη για την ιδέα του Moroz προέρχεται από πρόσφατη γενετική εργασία που υποδηλώνει ότι οι ζελέ χτενών είναι αρχαίοι - η πρώτη ομάδα που διακλαδίζεται από το γενεαλογικό δέντρο των ζώων. Εάν αληθεύει, αυτό θα ενίσχυε την πιθανότητα να εξέλιξαν νευρώνες μόνοι τους.
Η συζήτηση έχει προκαλέσει έντονο ενδιαφέρον μεταξύ των εξελικτικών βιολόγων. Το έργο του Moroz δεν αμφισβητεί μόνο την προέλευση του εγκεφάλου και την εξελικτική ιστορία των ζώων. Αμφισβητεί επίσης τη βαθιά εδραιωμένη ιδέα ότι η εξέλιξη προχωρά σταθερά προς τα εμπρός, δημιουργώντας πολυπλοκότητα με την πάροδο του χρόνου.
The First Split
Κάπου στη γειτονιά πριν από 540 εκατομμύρια χρόνια, ο ωκεανός ήταν έτοιμος για μια έκρηξη της ζωής των ζώων. Ο κοινός πρόγονος όλων των ζώων περιπλανιόταν στις θάλασσες, έτοιμος να διαφοροποιηθεί στην πλούσια πανίδα που βλέπουμε σήμερα.
Οι επιστήμονες υπέθεσαν από καιρό ότι τα σφουγγάρια ήταν τα πρώτα που διακλαδίστηκαν από τον κύριο κορμό του γενεαλογικού δέντρου των ζώων. Είναι μια από τις απλούστερες κατηγορίες ζώων, χωρίς εξειδικευμένες δομές, όπως νεύρα ή πεπτικό σύστημα. Οι περισσότεροι βασίζονται στη ροή του νερού στο περιβάλλον για τη συλλογή τροφίμων και την απομάκρυνση των απορριμμάτων.
Αργότερα, όπως πιστεύεται γενικά, η υπόλοιπη γενεαλογία των ζώων χωρίστηκε σε ζελέ χτενιού, γνωστά και ως κτενοφόρα (προφέρεται TEN-oh-fours). cnidarians (μέδουσες, κοράλλια και ανεμώνες). πολύ απλά πολυκύτταρα ζώα που ονομάζονται πλακόζωα. και τελικά οι διμερείς, ο κλάδος που οδήγησε σε έντομα, ανθρώπους και οτιδήποτε ενδιάμεσα.
Αλλά η ταξινόμηση της ακριβούς σειράς με την οποία χωρίστηκαν τα πρώιμα κλαδιά των ζώων ήταν ένα διαβόητο ακανθώδες πρόβλημα. Έχουμε ελάχιστη αίσθηση του πώς έμοιαζαν τα ζώα πριν από τόσα πολλά εκατομμύρια χρόνια, επειδή το μαλακό σώμα τους άφησε λίγα απτά στοιχεία στους βράχους. «Το αρχείο απολιθωμάτων είναι κηλιδωτό», είπε η Linda Holland, μια εξελικτική βιολόγος στο Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας Scripps στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο.
Για να καλύψουν την αδυναμία μας να δούμε το παρελθόν, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τη μορφολογία (δομή) και τη γενετική των ζωντανών ζώων για να προσπαθήσουν να ανασυνθέσουν τις σχέσεις των αρχαίων. Αλλά στην περίπτωση των ζελέ χτενών, η μελέτη των ζωντανών ζώων παρουσιάζει σοβαρές προκλήσεις.
Λίγα είναι γνωστά για τη βασική βιολογία των ζελέ χτενίσματος. Τα ζώα είναι απίστευτα εύθραυστα, συχνά πέφτουν σε κομμάτια μόλις πιαστούν σε ένα δίχτυ. Και είναι δύσκολο να τα μεγαλώσεις σε αιχμαλωσία, καθιστώντας σχεδόν αδύνατο να γίνουν τα πειράματα ρουτίνας που μπορεί να κάνουν οι επιστήμονες σε άλλα ζώα.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα οι ζελέδες με χτένα θεωρούνταν ότι σχετίζονται στενά με τις μέδουσες. Με τα συμμετρικά σχέδια σώματος και το ζελατινώδες μακιγιάζ τους, τα δύο είδη μοιάζουν εξωτερικά μεταξύ τους. Ωστόσο, τα ζώα κολυμπούν και κυνηγούν διαφορετικά - οι μέδουσες έχουν πλοκάμια που τσιμπούν, ενώ οι ζελέδες με χτένα έχουν κολλώδη. Και σε επίπεδο γονιδιώματος, οι ζελέ χτενών είναι πιο κοντά στα σφουγγάρια, τα οποία δεν έχουν καθόλου νευρικό σύστημα.
Σε ζελέ χτενίσματος ή σε οποιοδήποτε άλλο ζώο, μια εξελικτική ανάλυση που βασίζεται στη μορφολογία μπορεί να οδηγήσει σε ένα εξελικτικό δέντρο, ενώ ένα που χρησιμοποιεί γονιδιωματικά δεδομένα, ή ακόμα και διαφορετικά είδη γονιδιωματικών δεδομένων, μπορεί να οδηγήσει σε ένα άλλο. Οι αποκλίσεις προκαλούν συχνά έντονες συζητήσεις στο πεδίο.
Μια τέτοια συζήτηση προέκυψε το 2008, όταν ο Mark Martindale, τώρα διευθυντής του Whitney Laboratory, ο Gonzalo Giribet, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν μια μελέτη που ανέλυσε αλληλουχίες γονιδίων από 29 διαφορετικά ζώα. Αφού εξέτασαν τα γενετικά δεδομένα, οι ερευνητές πρότειναν μια σειρά αλλαγών στο ζωικό δέντρο.
Μακράν η πιο αμφιλεγόμενη από αυτές τις αλλαγές ήταν η πρόταση ότι τα κενοφόρα θα έπρεπε να αντικαταστήσουν τα σφουγγάρια ως το αρχαιότερο κλάδο των ζώων. Εάν η εξέλιξη αυξάνει την πολυπλοκότητα με την πάροδο του χρόνου, όπως παραδοσιακά πίστευαν οι βιολόγοι, τότε ένας φαινομενικά απλός οργανισμός όπως το σφουγγάρι θα πρέπει να προηγείται ενός φαινομενικά πιο σύνθετου οργανισμού όπως το ζελέ χτενίσματος. Τα γενετικά δεδομένα των Martindale και Giribet υποδηλώνουν διαφορετικά, αλλά οι κριτικοί ήταν αμφίβολοι. «Μας χλευάστηκαν λίγο πολύ από ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα», είπε ο Martindale.
Ο Martindale και οι συνεργάτες του έπρεπε να συγκεντρώσουν περισσότερα στοιχεία για την πρότασή τους. Έπεσαν τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας να προσδιορίσουν την αλληλουχία του γονιδιώματος ενός ζελέ χτενίσματος, του θαλάσσιου καρυδιού, το οποίο δημοσιεύτηκε στο Science το 2013. Ο Moroz και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν ένα δεύτερο γονιδίωμα κενοφόρου, το φραγκοστάφυλο της θάλασσας, στο Nature το 2014. Και οι δύο εργασίες, οι οποίες χρησιμοποίησαν πιο εκτεταμένα δεδομένα και πιο εξελιγμένες μεθόδους ανάλυσης από την προσπάθεια του 2008, υποστηρίζουν το δέντρο του πρώτου κτηνοφόρου. Ένα τρίτο έγγραφο που αναλύει δημόσια διαθέσιμα δεδομένα γονιδιώματος και δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org νωρίτερα αυτό το έτος υποστηρίζει επίσης την ιδέα ότι οι ζελέ χτενιού διακλαδίστηκαν πρώτα.
Υπό το φως των νέων στοιχείων, οι επιστήμονες αρχίζουν να παίρνουν την ιδέα στα σοβαρά, αν και πολλοί στον τομέα λένε ότι δεν υπάρχουν αρκετά δεδομένα για να διατυπώσουν ισχυρούς ισχυρισμούς. Αυτή η άποψη αντανακλάται σε μια σειρά άρθρων ανασκόπησης που δημοσιεύθηκαν τον περασμένο χρόνο, πολλά από τα οποία υποστηρίζουν ότι τα ζελέ χτενίσματος δεν είναι πραγματικά το παλαιότερο κλαδί. απλά φαίνεται να είναι.
Οι ζελέ χτενιού έχουν εξελιχθεί πιο γρήγορα από τις άλλες αρχαίες ομάδες ζώων, πράγμα που σημαίνει ότι οι αλληλουχίες γονιδίων τους άλλαξαν γρήγορα με την πάροδο του χρόνου. Αυτό με τη σειρά του σημαίνει ότι η γενετική ανάλυση της θέσης τους στο εξελικτικό δέντρο θα μπορούσε να υπόκειται σε ένα υπολογιστικό τεχνούργημα που ονομάζεται «έλξη μακράς διακλάδωσης», ένα είδος σφάλματος που μπορεί να τραβήξει τους ταχέως εξελισσόμενους οργανισμούς στη βάση του δέντρου. «Ομάδες ζώων με μακριές διακλαδώσεις είναι συχνά δύσκολο να τοποθετηθούν», δήλωσε ο Detlev Arendt, εξελικτικός βιολόγος στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στη Γερμανία. "Μέχρι στιγμής, τα φυλογενετικά δεδομένα δεν είναι πραγματικά οριστικά για το πού ανήκουν [τα ζελέ χτενών]."
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι περισσότερα δεδομένα - συμπεριλαμβανομένων γονιδιωμάτων πρόσθετων ειδών κενοφόρων - θα βοηθήσουν στην επίλυση των βαθύτερων κλαδιών του ζωικού δέντρου. Και αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να έχει βαθιές επιπτώσεις στην κατανόησή μας για τους νευρώνες και την προέλευσή τους. «Η σειρά διακλάδωσης έχει μεγάλη επιρροή στον τρόπο με τον οποίο ερμηνεύουμε την εξέλιξη του νευρικού συστήματος», δήλωσε ο Gáspár Jékely, βιολόγος στο Ινστιτούτο Αναπτυξιακής Βιολογίας Max Planck στη Γερμανία.
Πράγματι, ακόμη και εκείνοι που συμφωνούν ότι οι ζελέ χτενίσματος ήρθαν πρώτα διαφωνούν στο ερώτημα πώς προέκυψαν οι νευρώνες.
Η σπίθα της σκέψης
Η δημιουργία νευρώνων ήταν ένα αξιοσημείωτο γεγονός στην εξέλιξη των ζώων. Αυτά τα κύτταρα μπορούν να επικοινωνούν — να λαμβάνουν, να μεταδίδουν και να επεξεργάζονται πληροφορίες χρησιμοποιώντας μια ακριβή χημική και ηλεκτρική γλώσσα. Η δύναμή τους προέρχεται από το πολύπλοκο δίκτυο που δημιουργούν. «Ένας μόνος νευρώνας είναι σαν τον ήχο του ενός χεριού που χτυπάει», είπε ο Martindale. "Η όλη ιδέα είναι να τα βάλεις μαζί και να μπορούν να κάνουν πράγματα που μερικά μεμονωμένα κύτταρα δεν μπορούν."
Αυτό το επίπεδο πολυπλοκότητας απαιτεί μια απίθανη συρροή εξελικτικών γεγονότων. Πρέπει να προκύψουν μηχανισμοί που όχι μόνο συνδέουν φυσικά κύτταρα, αλλά τους επιτρέπουν να μεταδίδουν και να ερμηνεύουν σήματα. "Ο λόγος που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί πολλές φορές είναι η ιδέα ότι οι νευρώνες μιλούν — ειδικά με άλλους νευρώνες", είπε ο Martindale.
Αυτό είναι που κάνει την πρόταση του Moroz - ότι οι νευρώνες εξελίχθηκαν δύο φορές, μια σε ζελέ χτενών και μια σε άλλα ζώα - τόσο αμφιλεγόμενη.
Σύμφωνα με την εκδοχή του Moroz για το εξελικτικό δέντρο, τα ζώα ξεκίνησαν με έναν κοινό πρόγονο που δεν είχε νευρώνες. Στη συνέχεια, οι ζελέδες χτενίστηκαν και συνέχισαν να αναπτύσσουν την περίεργη μάρκα νευρώνων τους. Μετά από αυτό, οι πρόγονοι των σφουγγαριών και των πλακόζωων διακλαδίστηκαν. Όπως και οι πρόγονοί τους, δεν είχαν νευρώνες. Οι υποτυπώδεις νευρώνες, ή πρωτονευρώνες, εξελίχθηκαν στη συνέχεια για δεύτερη φορά στους προγόνους των μεδουσών και των διπλοταρίων, αποτελώντας τη βάση του νευρικού συστήματος που βρέθηκε σε όλους τους επόμενους απογόνους, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. «Κατά τη γνώμη μου, είναι απλούστερο και πιο ρεαλιστικό ότι ο κοινός πρόγονος δεν είχε νευρικό σύστημα», είπε ο Moroz. (Πιστεύει ότι ακόμα κι αν οι ζελέδες χτενίστηκαν μετά από σφουγγάρια, εξακολουθούν να εξελίχθηκαν ανεξάρτητα νευρώνες.)
Αλλά ορισμένοι επιστήμονες που πιστεύουν ότι τα κενοφόρα διακλαδίστηκαν πρώτα δίνουν μια διαφορετική εικόνα. Υποδεικνύουν ότι ο κοινός πρόγονος όλων των ζώων είχε ένα απλό νευρικό σύστημα, το οποίο τα σφουγγάρια έχασαν στη συνέχεια. Χτενίστε τα ζελέ και το υπόλοιπο κλαδί, το οποίο περιλαμβάνει τους προγόνους μας, τους διμερείς, χτίστηκε σε αυτούς τους πρωτονευρώνες με διαφορετικούς τρόπους, αναπτύσσοντας όλο και πιο εξελιγμένα νευρικά συστήματα.
«Η ιδέα των πρώτων κενοφόρων, αν είναι σωστή, υποδηλώνει ότι συμβαίνει κάτι πραγματικά ενδιαφέρον», είπε ο Κρίστοφερ Λόου, βιολόγος στο Ναυτικό Σταθμό Χόπκινς στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. «Και οι δύο ερμηνείες είναι βαθιές». Από τη μία πλευρά, δύο ανεξάρτητες προελεύσεις νευρώνων θα ήταν έκπληξη γιατί φαίνεται απίθανο η ακριβής αλληλουχία γενετικών ατυχημάτων που δημιούργησαν νευρώνες να συμβεί περισσότερες από μία φορές. Αλλά φαίνεται επίσης απίθανο τα σφουγγάρια να χάσουν κάτι τόσο πολύτιμο όσο ένας νευρώνας. "Το μόνο παράδειγμα που γνωρίζουμε από διμερείς ότι το νευρικό σύστημα χάθηκε εντελώς είναι τα παράσιτα", είπε ο Lowe.
Οι δύο πιθανότητες αντικατοπτρίζουν ένα κλασικό αίνιγμα για τους εξελικτικούς βιολόγους. «Έχασε κάτι αυτό το ζώο ή δεν το είχε για αρχή;» είπε ο Holland. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, «Δυσκολεύομαι να κρατήσω θέση», είπε.
Η εξέλιξη είναι γεμάτη από παραδείγματα απώλειας και παράλληλης εξέλιξης. Ορισμένα σκουλήκια και άλλα ζώα έχουν αποβάλει ρυθμιστικά μόρια ή αναπτυξιακά γονίδια που χρησιμοποιούνται από το υπόλοιπο ζωικό βασίλειο. «Δεν είναι πρωτοφανές να χάνονται σημαντικά συμπληρώματα γονιδίων σε μεγάλες ζωικές γενεαλογίες», είπε ο Λόου. Η συγκλίνουσα εξέλιξη, στην οποία η φυσική επιλογή παράγει δύο παρόμοιες δομές ανεξάρτητα, είναι αρκετά συνηθισμένη στη φύση. Ο αμφιβληστροειδής, για παράδειγμα, εξελίχθηκε ανεξάρτητα αρκετές φορές. «Διαφορετικά ζώα χρησιμοποιούν μερικές φορές εξαιρετικά διαφορετικά εργαλεία για να φτιάξουν μορφολογικά παρόμοιους νευρώνες, κυκλώματα και εγκεφάλους», είπε ο Moroz. "Όλοι αποδέχονται την περίπτωση των ματιών, αλλά πιστεύουν ότι ο εγκέφαλος ή ο νευρώνας συνέβη μόνο μία φορά."
Τα κύρια στοιχεία του Moroz για την ανεξάρτητη προέλευση των νευρώνων σε ζελέ χτενών προέρχονται από το ασυνήθιστο νευρικό τους σύστημα. «Το νευρικό σύστημα του κενοφόρου είναι δραματικά διαφορετικό από οποιοδήποτε άλλο νευρικό σύστημα», είπε ο Andrea Kohn, μοριακός βιολόγος που συνεργάζεται με τον Moroz. Οι ζελέ χτενών φαίνεται να μην έχουν τους κοινώς χρησιμοποιούμενους χημικούς αγγελιοφόρους που έχουν άλλα ζώα, όπως η σεροτονίνη, η ντοπαμίνη και η ακετυλοχολίνη. (Χρησιμοποιούν γλουταμικό, ένα απλό μόριο που παίζει σημαντικό ρόλο στη νευρωνική σηματοδότηση στα ζώα.) Αντίθετα, έχουν γονίδια που προβλέπεται να παράγουν μια σειρά από νευρικά πεπτίδια, μικρές πρωτεΐνες που μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως χημικοί αγγελιοφόροι. "Κανένα άλλο ζώο εκτός από αυτό το γένος δεν έχει κάτι τέτοιο", είπε ο Kohn.
Αλλά οι κριτικοί αμφισβητούν και αυτόν τον ισχυρισμό. Ίσως τα ζελέ χτενίσματος να έχουν πραγματικά τα γονίδια για τη σεροτονίνη και άλλα μόρια νευρικής σηματοδότησης, αλλά αυτά τα γονίδια έχουν εξελιχθεί πέρα από την αναγνώριση, είπε η Arendt. "Θα μπορούσε απλώς να σημαίνει [ότι τα ζελέ χτένας] είναι εξαιρετικά εξειδικευμένα", είπε.
Οι επιστήμονες από όλες τις πλευρές της συζήτησης λένε ότι μπορεί να απαντηθεί μόνο με περισσότερα δεδομένα και, το πιο σημαντικό, καλύτερη κατανόηση της βιολογίας του ζελέ χτενίσματος. Παρόλο που μοιράζονται ορισμένα γονίδια με οργανισμούς-μοντέλους, όπως ποντίκια και μύγες φρούτων, δεν είναι σαφές τι κάνουν αυτά τα γονίδια σε ζελέ χτενίσματος. Ούτε οι επιστήμονες κατανοούν τη βασική κυτταρική τους βιολογία, όπως το πώς επικοινωνούν οι νευρώνες από ζελέ χτενίσματος.
Αλλά η συνεχιζόμενη συζήτηση έχει προκαλέσει το ενδιαφέρον για τα κενοφόρα και περισσότεροι ερευνητές μελετούν το νευρικό τους σύστημα, την ανάπτυξη και τα γονίδιά τους. «Ο Moroz και οι συνεργάτες του έριξαν φως σε αυτό το μέρος του δέντρου, κάτι που είναι καλό», είπε ο Holland. "Δεν πρέπει να αγνοήσουμε αυτούς τους τύπους εκεί κάτω."
Διόρθωση στις 26 Μαρτίου 2015:Μια πρωτότυπη λεζάντα που περιγράφει δύο ζελέδες με χτένα αντιστρέφει τις θέσεις τους. Αριστερά το φραγκοστάφυλο, δεξιά η ζελατίνα με λοβό χτένα.
