Když Leonid Moroz, neurovědec z Whitneyho laboratoře pro mořskou biologii v St. Augustine na Floridě, začal poprvé studovat hřebenatky, byl zmatený. Věděl, že tito primitivní mořští tvorové mají nervové buňky – zodpovědné mimo jiné za řízení pohybu jejich chapadel a rytmu jejich duhových řasinek. Ale tyto neurony se zdály být neviditelné. Barviva, která vědci obvykle používají k barvení a studiu těchto buněk, prostě nefungovala. Neuronová anatomie hřebenatek se nepodobala ničemu jinému, s čím se kdy setkal.
Po letech studia si myslí, že ví proč. Podle tradiční evoluční biologie se neurony vyvinuly jen jednou, před stovkami milionů let, pravděpodobně poté, co se mořské houby rozvětvily z evolučního stromu. Moroz si však myslí, že se tak stalo dvakrát – jednou u předků hřebenatek, které se oddělily přibližně ve stejné době jako mořské houby, a jednou u živočichů, z nichž vznikly medúzy a všichni následující živočichové včetně nás. Jako důkaz uvádí skutečnost, že hřebenatky mají relativně cizí nervovou soustavu, která využívá jiné chemické látky a architekturu než naše. „Když se podíváme na genom a další informace, vidíme nejen jinou gramatiku, ale i jinou abecedu,“ řekl Moroz.
Když Moroz svou teorii navrhl, evoluční biologové byli skeptičtí. Kritici tvrdili, že neurony jsou nejsložitějším existujícím typem buněk, které jsou schopny zachycovat informace, provádět výpočty a vykonávat rozhodnutí. Protože jsou tak složité, je nepravděpodobné, že by se vyvinuly dvakrát.
Nová podpora Morozovy myšlenky však pochází z nedávné genetické práce, která naznačuje, že hřebenatky jsou prastaré – první skupina, která se rozvětvila z rodokmenu živočichů. Pokud je to pravda, posílilo by to šanci, že se u nich neurony vyvinuly samy od sebe.
Debata vyvolala mezi evolučními biology intenzivní zájem. Morozova práce nezpochybňuje pouze původ mozku a evoluční historii živočichů. Zpochybňuje také hluboce zakořeněnou představu, že evoluce postupuje neustále vpřed a postupem času buduje složitost.
První rozdělení
Někde před 540 miliony let byl oceán připraven na explozi živočišného života. Společný předek všech živočichů brázdil moře a byl připraven diverzifikovat se do bohatého panoptika fauny, které vidíme dnes.
Vědci dlouho předpokládali, že houby byly první, kdo se oddělil od hlavního kmene živočišného rodokmenu. Jsou jednou z nejjednodušších tříd živočichů, postrádají specializované struktury, jako jsou nervy nebo trávicí soustava. Většina z nich se spoléhá na okolní proudění vody při shromažďování potravy a odstraňování odpadních látek.
Později, jak se obecně předpokládá, se zbytek živočišného rodu rozdělil na hřebenatky, známé také jako ctenophores (vyslovuje se TEN-oh-fours); cnidarians (medúzy, korály a sasanky); velmi jednoduché mnohobuněčné živočichy zvané placozoa; a nakonec bilaterians, větev, která vedla k hmyzu, člověku a všemu mezi nimi.
Ustanovit přesné pořadí, v jakém se první větve živočichů rozdělily, je však notoricky známý ožehavý problém. Máme jen malou představu o tom, jak zvířata před mnoha miliony let vypadala, protože jejich měkká těla zanechala v horninách jen málo hmatatelných důkazů. „Fosilní záznamy jsou neúplné,“ říká Linda Hollandová, evoluční bioložka ze Scrippsova oceánografického ústavu Kalifornské univerzity v San Diegu.
Aby vědci nahradili naši neschopnost nahlédnout do minulosti, využívají morfologii (stavbu) a genetiku žijících živočichů, aby se pokusili rekonstruovat příbuzenské vztahy těch dávných. V případě hřebenatek však studium živých živočichů představuje vážnou výzvu.
O základní biologii hřebenatek je toho známo jen málo. Tito živočichové jsou neuvěřitelně křehcí, často se po zachycení do sítě rozpadají na kusy. A je obtížné je chovat v zajetí, což téměř znemožňuje provádět běžné experimenty, které mohou vědci provádět na jiných zvířatech.
Dlouhou dobu se mělo za to, že hřebenatky jsou blízce příbuzné medúzám. Svým symetrickým půdorysem těla a želatinovým složením se oba druhy navenek podobají. Přesto živočichové plavou a loví odlišně – medúzy mají žahavá chapadla, zatímco hřebenatky lepkavá. A na úrovni genomu mají hřebenatky blíže k houbám, které nemají vůbec žádnou nervovou soustavu.
U hřebenatek nebo jakéhokoli jiného živočicha může evoluční analýza, která se opírá o morfologii, vést k jednomu evolučnímu stromu, zatímco ta, která využívá genomická data, nebo dokonce různé druhy genomických dat, může vést k jinému. Tyto nesrovnalosti často vyvolávají v oboru vášnivé debaty.
Jedna taková debata se objevila v roce 2008, kdy Mark Martindale, nyní ředitel Whitneyho laboratoře, Gonzalo Giribet, evoluční biolog z Harvardovy univerzity, a jeho spolupracovníci publikovali studii, která analyzovala genové sekvence 29 různých živočichů. Po zvážení genetických dat navrhli vědci řadu změn ve stromu živočichů.
Zdaleka nejkontroverznější z těchto změn byl návrh, aby ktenofóry nahradily houby jako nejstarší větev živočichů. Pokud evoluce zvyšuje složitost v čase, jak se biologové tradičně domnívali, pak by zdánlivě jednoduchý organismus, jako je houba, měl předcházet zdánlivě složitějšímu organismu, jako je hřebenatka. Genetická data Martindalea a Giribeta naznačovala opak, ale kritici o tom pochybovali. „Celá vědecká komunita se nám v podstatě vysmívala,“ řekl Martindale.
Martindale a jeho spolupracovníci potřebovali pro svůj návrh shromáždit více důkazů. Přesvědčili Národní institut zdraví, aby sekvenoval genom hřebenatky, mořského ořechu, což bylo publikováno v časopise Science v roce 2013. Moroz a jeho spolupracovníci publikovali v roce 2014 v časopise Nature genom druhého ctenophora, mořského angreštu. Obě práce, v nichž byla použita rozsáhlejší data a sofistikovanější metody analýzy než v roce 2008, podporují strom ctenophore first. Třetí článek analyzující veřejně dostupná data o genomech a zveřejněný na preprintovém serveru biorxiv.org na začátku tohoto roku rovněž podporuje myšlenku, že se hřebenatky rozvětvily jako první.
Vědci ve světle nových důkazů začínají brát tuto myšlenku vážně, i když mnozí z oboru tvrdí, že není dostatek dat, aby bylo možné činit nějaká silná tvrzení. Tento názor se odráží v přívalu přehledových článků publikovaných v posledním roce, z nichž mnohé tvrdí, že hřebenatky ve skutečnosti nejsou nejstarší větví; jen se tak jeví.
Hřebenatky se vyvíjely rychleji než ostatní staré skupiny živočichů, což znamená, že se jejich genové sekvence v průběhu času rychle měnily. To zase znamená, že genetická analýza jejich místa v evolučním stromu by mohla podléhat výpočetnímu artefaktu zvanému „přitažlivost dlouhé větve“, což je jakási závada, která může rychle se vyvíjející organismy stáhnout k základně stromu. „Skupiny živočichů s dlouhými větvemi je často obtížné umístit,“ řekl Detlev Arendt, evoluční biolog z Evropské laboratoře molekulární biologie v Německu. „Fylogenetická data zatím nejsou úplně přesvědčivá o tom, kam patří.“
Vědci doufají, že další data – včetně genomů dalších druhů ktenophor – pomohou vyřešit nejhlubší větve živočišného stromu. A to by zase mohlo mít hluboké důsledky pro naše chápání neuronů a toho, odkud se vzaly. „Pořadí větvení má zásadní vliv na to, jak interpretujeme evoluci nervové soustavy,“ uvedl Gáspár Jékely, biolog z německého Institutu Maxe Plancka pro vývojovou biologii.
Vždyť i ti, kteří se shodují na tom, že hřebenatky vznikly jako první, se neshodnou v otázce, jak neurony vznikly.
Jiskra myšlenky
Vznik neuronů byl v evoluci živočichů pozoruhodnou událostí. Tyto buňky dokáží komunikovat – přijímat, vysílat a zpracovávat informace pomocí přesného chemického a elektrického jazyka. Jejich síla pramení ze složité sítě, kterou vytvářejí. „Jeden neuron je jako zvuk tlesknutí jedné ruky,“ řekl Martindale. „Celá myšlenka spočívá v tom, že když jich dáte dohromady několik, dokáží věci, které několik jednotlivých buněk nedokáže.“
Tato úroveň složitosti vyžaduje nepravděpodobnou souhru evolučních událostí. Musí vzniknout mechanismy, které buňky nejen fyzicky propojí, ale umožní jim přenášet a interpretovat signály. „Důvodem, proč si většina lidí nemyslí, že by se mohly vyvinout vícekrát, je myšlenka, že neurony spolu mluví – konkrétně s jinými neurony,“ řekl Martindale.
Proto je Morozův návrh – že se neurony vyvinuly dvakrát, jednou u hřebenatek a jednou u jiných živočichů – tak kontroverzní.
Podle Morozovy verze evolučního stromu zvířata začínala se společným předkem, který neměl žádné neurony. Hřebenatky se pak oddělily a pokračovaly ve vývoji své zvláštní značky neuronů. Poté se od nich oddělili předkové houbovců a plakozoidů. Stejně jako jejich předkům jim chyběly neurony. Rudimentární neurony neboli protoneurony se pak podruhé vyvinuly u předků medúz a dvoukřídlých a vytvořily základ nervové soustavy všech pozdějších potomků, včetně člověka. „Podle mého názoru je jednodušší a realističtější, že společný předek neměl žádnou nervovou soustavu,“ řekl Moroz. (Domnívá se, že i kdyby se hřebenatky oddělily až po houbách, neurony se u nich vyvinuly nezávisle.)
Někteří vědci, kteří se domnívají, že se nejprve rozvětvily ktenofóry, však vykreslují jiný obrázek. Předpokládají, že společný předek všech živočichů měl jednoduchou nervovou soustavu, kterou houby následně ztratily. Hřebenatky a zbývající větev, do které patří i naši předci, bilaterální živočichové, na tyto protoneurony různými způsoby navázaly a vyvinuly si stále sofistikovanější nervovou soustavu.
„Myšlenka, že ctenophores byly první, pokud je správná, naznačuje, že se děje něco opravdu zajímavého,“ řekl Christopher Lowe, biolog z Hopkinsovy námořní stanice na Stanfordově univerzitě. „Obě interpretace jsou hluboké.“ Na jedné straně by dva nezávislé počátky neuronů byly překvapivé, protože se zdá nepravděpodobné, že by k přesnému sledu genetických náhod, které vytvořily neurony, mohlo dojít více než jednou. Ale také se zdá nepravděpodobné, že by houby přišly o něco tak cenného, jako je neuron. „Jediný příklad, který známe u dvoukřídlých, kdy došlo k úplné ztrátě nervové soustavy, je u parazitů,“ řekl Lowe.
Dvě možnosti odrážejí klasickou hádanku pro evoluční biology. „Ztratil tento živočich něco, nebo to na začátku vůbec neměl?“ ptají se vědci. Holland řekl. V tomto konkrétním případě „je podle mě těžké zaujmout stanovisko,“ řekla.
Evoluce je plná příkladů jak ztráty, tak paralelní evoluce. Někteří červi a další živočichové se zbavili regulačních molekul nebo vývojových genů používaných zbytkem živočišné říše. „Není bezprecedentní, že v hlavních liniích živočichů dochází ke ztrátě důležitých doplňků genů,“ řekl Lowe. Konvergentní evoluce, při níž přírodní výběr nezávisle na sobě vytváří dvě podobné struktury, je v přírodě poměrně běžná. Například sítnice se vyvinula nezávisle několikrát. „Různí živočichové někdy používají extrémně odlišné nástroje k vytvoření morfologicky podobných neuronů, obvodů a mozků,“ řekl Moroz. „Všichni akceptují případ oka, ale myslí si, že mozek nebo neuron vznikl jen jednou.“
Morozův hlavní důkaz nezávislého vzniku neuronů u hřebenatek pochází z jejich neobvyklé nervové soustavy. „Nervový systém hřebenatek se dramaticky liší od jakéhokoli jiného nervového systému,“ řekla Andrea Kohnová, molekulární bioložka, která s Morozem spolupracuje. Zdá se, že hřebenatky postrádají běžně používané chemické posly, které mají ostatní živočichové, jako je serotonin, dopamin a acetylcholin. (Používají však glutamát, jednoduchou molekulu, která u živočichů hraje významnou roli v neuronální signalizaci). Místo toho mají geny, u nichž se předpokládá, že produkují řadu nervových peptidů, malých proteinů, které mohou rovněž fungovat jako chemičtí poslové. „Žádný jiný živočich kromě tohoto fyla nic takového nemá,“ řekl Kohn.
Kritici však zpochybňují i toto tvrzení. Možná, že hřebenatky skutečně mají geny pro serotonin a další nervové signální molekuly, ale tyto geny se vyvinuly k nepoznání, řekl Arendt. „Mohlo by to prostě znamenat, že jsou vysoce specializované.“
Vědci na všech stranách debaty říkají, že na ni lze odpovědět pouze na základě většího množství dat a hlavně lepšího pochopení biologie hřebenatek. I když sdílejí některé geny s modelovými organismy, jako jsou myši a ovocné mušky, není jasné, co tyto geny u hřebenatek dělají. Vědci nerozumějí ani jejich základní buněčné biologii, například tomu, jak spolu komunikují neurony hřebenatek.
Probíhající debata však podnítila zájem o hřebenatky a stále více vědců studuje jejich nervovou soustavu, vývoj a geny. „Moroz a jeho spolupracovníci si posvítili na tuto část stromu, což je dobře,“ řekl Holland. „Neměli bychom ty dole ignorovat.“
Oprava 26. března 2015: Původní titulek popisující dvě hřebenatky obrátil jejich polohu. Mořský angrešt je vlevo, hřebenatka laločnatá vpravo.
Tento článek byl přetištěn na serveru BusinessInsider.com.