Da Leonid Moroz, der er neurovidenskabsmand ved Whitney Laboratory for Marine Bioscience i St. Augustine, Fla., først begyndte at studere kamgeléer, var han forvirret. Han vidste, at de primitive havdyr havde nerveceller – som bl.a. var ansvarlige for at orkestrere deres tentakler og deres iriserende ciliernes slag. Men disse neuroner syntes at være usynlige. De farvestoffer, som forskerne normalt bruger til at farve og studere disse celler, virkede simpelthen ikke. Kammeliliernes neurale anatomi lignede intet andet, som han nogensinde havde mødt.
Efter flere års studier tror han, at han ved hvorfor. Ifølge den traditionelle evolutionsbiologi udviklede neuroner sig kun én gang for hundreder af millioner af år siden, sandsynligvis efter at havsvampene havde forgrenet sig fra det evolutionære træ. Men Moroz mener, at det skete to gange – én gang hos forfædrene til kammuslinger, som splittede sig af på omtrent samme tidspunkt som havsvampene, og én gang hos de dyr, der gav anledning til vandmænd og alle efterfølgende dyr, herunder os. Han nævner som bevis for det faktum, at kammuslinger har et relativt fremmed neuralsystem, der anvender andre kemikalier og en anden arkitektur end vores eget. “Når vi ser på genomet og andre oplysninger, ser vi ikke blot en anden grammatik, men et andet alfabet”, sagde Moroz.
Da Moroz foreslog sin teori, var evolutionsbiologerne skeptiske. Neuroner er den mest komplekse celletype, der findes, hævdede kritikerne, og de er i stand til at opsamle information, foretage beregninger og udføre beslutninger. Fordi de er så komplicerede, er det usandsynligt, at de har udviklet sig to gange.
Men ny støtte til Moroz’ idé kommer fra nyligt genetisk arbejde, der tyder på, at kammuslinger er ældgamle – den første gruppe, der forgrenede sig fra det animalske stamtræ. Hvis det er sandt, ville det styrke chancen for, at de udviklede neuroner på egen hånd.
Debatten har skabt stor interesse blandt evolutionsbiologer. Moroz’ arbejde sætter ikke kun spørgsmålstegn ved hjernens oprindelse og dyrenes udviklingshistorie. Det udfordrer også den dybt forankrede idé om, at evolutionen skrider støt fremad og opbygger kompleksitet over tid.
Den første splittelse
Et sted i omegnen af 540 millioner år siden var havet klar til en eksplosion af dyreliv. Den fælles forfader til alle dyr strejfede rundt i havene, klar til at diversificere sig til den rige vifte af dyreliv, som vi ser i dag.
Videnskabsfolk har længe antaget, at svampene var de første, der forgrenede sig fra hovedstammen i dyrenes stamtræ. De er en af de enkleste dyreklasser og mangler specialiserede strukturer såsom nerver eller et fordøjelsessystem. De fleste er afhængige af den omgivende vandstrøm til at opsamle føde og fjerne affald.
Senere, som det generelt antages, delte resten af dyrestammen sig i kamgeler, også kendt som ctenophorer (udtales TEN-oh-fours); nidarianer (vandmænd, koraller og anemoner); meget simple flercellede dyr kaldet placozoa; og til sidst bilaterians, den gren, der førte til insekter, mennesker og alt derimellem.
Men det har været et notorisk ømtåleligt problem at finde ud af, i hvilken rækkefølge de tidlige dyregrene delte sig. Vi har kun en ringe fornemmelse af, hvordan dyrene så ud for så mange millioner år siden, fordi deres bløde kroppe kun har efterladt få håndgribelige spor i stenene. “De fossile optegnelser er spinkelt”, siger Linda Holland, der er evolutionsbiolog ved Scripps Institution of Oceanography ved University of California, San Diego.
For at kompensere for vores manglende evne til at se ind i fortiden bruger forskerne morfologi (struktur) og genetik hos levende dyr til at forsøge at rekonstruere forholdet mellem de gamle dyr. Men i tilfældet med kammuslinger giver studiet af levende dyr alvorlige udfordringer.
Der vides kun lidt om kammuslingers grundlæggende biologi. Dyrene er utroligt skrøbelige og falder ofte i stykker, når de først er fanget i et net. Og det er vanskeligt at opdrætte dem i fangenskab, hvilket gør det næsten umuligt at udføre de rutineeksperimenter, som forskere kan udføre på andre dyr.
I lang tid troede man, at kæmperne var nært beslægtede med vandmænd. Med deres symmetriske kropsplan og geléagtige opbygning ligner de to arter hinanden udadtil. Alligevel svømmer og jager dyrene forskelligt – vandmænd har stikkende tentakler, mens kammuslinger har klæbrige tentakler. Og på genomniveau er kammuslinger tættere på svampe, som slet ikke har noget nervesystem.
I kammuslinger eller andre dyr kan en evolutionær analyse, der er baseret på morfologi, føre til et evolutionært træ, mens en analyse, der anvender genomiske data, eller endog forskellige typer genomiske data, kan føre til et andet. Disse uoverensstemmelser udløser ofte en ophedet debat på området.
En sådan debat opstod i 2008, da Mark Martindale, nu direktør for Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, en evolutionsbiolog ved Harvard University, og samarbejdspartnere offentliggjorde en undersøgelse, der analyserede gensekvenser fra 29 forskellige dyr. Efter at have overvejet de genetiske data foreslog forskerne en række ændringer af dyretræet.
Langt den mest kontroversielle af disse ændringer var forslaget om, at ctenophore skulle erstatte svampe som den tidligste gren af dyr. Hvis evolutionen øger kompleksiteten over tid, som biologer traditionelt har troet, så burde en tilsyneladende simpel organisme som svampen gå forud for en tilsyneladende mere kompleks organisme som kammuslingerne. Martindale og Giribets genetiske data tydede på det modsatte, men kritikerne var tvivlende. “Vi blev stort set latterliggjort af hele det videnskabelige samfund,” sagde Martindale.
Martindale og hans samarbejdspartnere havde brug for at indsamle flere beviser for deres forslag. De overbeviste National Institutes of Health om at sekventere genomet af en kamgelé, havvalnødden, hvilket blev offentliggjort i Science i 2013. Moroz og hans samarbejdspartnere offentliggjorde et andet ctenophore-genom, havstokrosebæret, i Nature i 2014. Begge artikler, som anvendte mere omfattende data og mere sofistikerede analysemetoder end indsatsen i 2008, understøtter ctenophore-først-træet. En tredje artikel, der analyserer offentligt tilgængelige genomdata og blev lagt ud på preprint-serveren biorxiv.org tidligere i år, støtter også ideen om, at kammeliljer forgrenede sig først.
I lyset af de nye beviser er forskerne begyndt at tage ideen alvorligt, selv om mange på området siger, at der ikke er nok data til at fremsætte stærke påstande. Dette synspunkt er blevet afspejlet i en strøm af oversigtsartikler, der er blevet offentliggjort i løbet af det sidste år, hvoraf mange hævder, at kammuslinger i virkeligheden ikke er den ældste gren; de ser bare ud til at være det.
Kammuslinger har udviklet sig hurtigere end de andre gamle dyregrupper, hvilket betyder, at deres gensekvenser har ændret sig hurtigt over tid. Det betyder igen, at den genetiske analyse af deres plads i det evolutionære træ kan være genstand for en beregningsmæssig artefakt kaldet “tiltrækning af lange grene”, en slags fejl, der kan trække organismer, der udvikler sig hurtigt, til bunden af træet. “Dyregrupper med lange forgreninger er ofte vanskelige at placere”, siger Detlev Arendt, der er evolutionsbiolog ved European Molecular Biology Laboratory i Tyskland. “Indtil videre er de fylogenetiske data ikke rigtig afgørende for, hvor de hører hjemme.”
Forskerne håber, at flere data – herunder genomer af yderligere ctenophore-arter – vil hjælpe med at opklare de dybeste grene af dyretræet. Og det kan igen få dybtgående konsekvenser for vores forståelse af neuroner, og hvor de kommer fra. “Forgreningsrækkefølgen har stor indflydelse på, hvordan vi fortolker nervesystemets udvikling,” siger Gáspár Jékely, der er biolog ved Max Planck Institute for Developmental Biology i Tyskland.
Selv dem, der er enige om, at kammuslinger kom først, er nemlig uenige om spørgsmålet om, hvordan neuroner opstod.
Tænkningens gnist
Skabelsen af neuroner var en bemærkelsesværdig begivenhed i dyrenes udvikling. Disse celler kan kommunikere – de modtager, overfører og behandler information ved hjælp af et præcist kemisk og elektrisk sprog. Deres kraft stammer fra det komplekse netværk, de skaber. “En enkelt neuron er som lyden af en hånd, der klapper”, sagde Martindale. “Hele idéen er, at hvis man sætter en masse af dem sammen, kan de gøre ting, som et par enkelte celler ikke kan gøre.”
Denne grad af kompleksitet kræver et usandsynligt sammenfald af evolutionære begivenheder. Der skal opstå mekanismer, som ikke blot fysisk forbinder cellerne, men som også gør det muligt for dem at sende og fortolke signaler. “Grunden til, at de fleste mennesker ikke tror, at de kunne have udviklet sig flere gange, er ideen om, at neuroner taler – specielt til andre neuroner,” siger Martindale.
Det er det, der gør Moroz’ forslag – at neuroner udviklede sig to gange, en gang i kammerjunkere og en gang i andre dyr – så kontroversielt.
I henhold til Moroz’ version af det evolutionære træ startede dyrene med en fælles forfader, der ikke havde nogen neuroner. Kæmlinge-geléer splittede sig derefter af og fortsatte med at udvikle deres mærkelige mærke af neuroner. Herefter forgrenede forfædre til svampe og placozoer sig. Ligesom deres forfædre manglede de neuroner. Rudimentære neuroner, eller protoneuroner, udviklede sig derefter for anden gang hos forfædrene til vandmænd og tokimbladede dyr og dannede grundlaget for det nervesystem, der findes hos alle efterfølgende efterkommere, herunder mennesker. “Efter min mening er det enklere og mere realistisk, at den fælles forfader ikke havde noget nervesystem”, sagde Moroz. (Han mener, at selv om kammuslinger har delt sig ud efter svampene, har de stadig udviklet neuroner uafhængigt af hinanden.)
Men nogle forskere, der mener, at ctenophorerne forgrenede sig først, tegner et andet billede. De foreslår, at den fælles forfader til alle dyr havde et simpelt nervesystem, som svampene efterfølgende mistede. Kammuslinger og den resterende gren, som omfatter vores forfædre, de bilaterale dyr, byggede på disse protoneuroner på forskellige måder og udviklede mere og mere sofistikerede nervesystemer.
“Hvis idéen om ctenophorerne som de første er korrekt, tyder det på, at der foregår noget virkelig interessant,” siger Christopher Lowe, biolog ved Hopkins Marine Station på Stanford University. “Begge fortolkninger er dybtgående.” På den ene side ville to uafhængige oprindelser af neuroner være overraskende, fordi det virker usandsynligt, at den præcise sekvens af genetiske ulykker, der skabte neuroner, kunne ske mere end én gang. Men det virker også usandsynligt, at svampe ville miste noget så værdifuldt som en neuron. “Det eneste eksempel, vi kender fra bilaterale dyr, hvor nervesystemet gik helt tabt, er hos parasitter,” sagde Lowe.
De to muligheder afspejler et klassisk gådefuldt problem for evolutionsbiologer. “Har dette dyr mistet noget eller havde det ikke noget til at begynde med?” Holland sagde. I dette særlige tilfælde “synes jeg, at det er svært at tage stilling”, sagde hun.
Evolutionen er fyldt med eksempler på både tab og parallel udvikling. Nogle orme og andre dyr har mistet reguleringsmolekyler eller udviklingsgener, der anvendes af resten af dyreriget. “Det er ikke uden fortilfælde, at vigtige komplementer af gener går tabt i større dyreslægter,” sagde Lowe. Konvergent evolution, hvor den naturlige udvælgelse producerer to lignende strukturer uafhængigt af hinanden, er ret almindelig i naturen. Nethinden har f.eks. udviklet sig uafhængigt af hinanden flere gange. “Forskellige dyr bruger nogle gange ekstremt forskellige værktøjskasser til at lave morfologisk ens neuroner, kredsløb og hjerner,” sagde Moroz. “Alle accepterer øjet, men de tror, at hjernen eller neuronen kun er sket én gang.”
Moroz’ primære beviser for en uafhængig oprindelse af neuroner i kammuslinger kommer fra deres usædvanlige nervesystemer. “Ctenophore’s nervesystem er dramatisk forskelligt fra ethvert andet nervesystem,” siger Andrea Kohn, en molekylærbiolog, der arbejder sammen med Moroz. Kæmperne synes at mangle de almindeligt anvendte kemiske budbringere, som andre dyr har, såsom serotonin, dopamin og acetylcholin. (De bruger dog glutamat, et simpelt molekyle, der spiller en vigtig rolle i neuronal signalering hos dyr). I stedet har de gener, der er forudsagt til at producere et væld af neurale peptider, små proteiner, der også kan fungere som kemiske budbringere. “Intet andet dyr undtagen i denne stamme har noget lignende”, sagde Kohn.
Men kritikere sætter også spørgsmålstegn ved denne påstand. Måske har kammuslinger virkelig generne for serotonin og andre neurale signalmolekyler, men disse gener har udviklet sig uigenkendeligt, sagde Arendt. “Det kunne bare betyde, at de er højt specialiserede,” sagde han.
Videnskabsfolk på alle sider af debatten siger, at den kun kan besvares med flere data, og, endnu vigtigere, en bedre forståelse af kamgelébiologien. Selv om de deler nogle gener med modelorganismer som f.eks. mus og frugtfluer, er det uklart, hvad disse gener gør i kammuslinger. Forskerne forstår heller ikke deres grundlæggende cellebiologi, f.eks. hvordan neuroner i kammuslinger kommunikerer.
Men den igangværende debat har vakt interesse for ctenophorer, og flere forskere studerer deres nervesystemer, udvikling og gener. “Moroz og samarbejdspartnere har kastet lys på denne del af træet, hvilket er en god ting,” sagde Holland. “Vi bør ikke ignorere disse fyre dernede.”
Korrektion den 26. marts 2015: En original billedtekst, der beskrev to kammejser, omvendte deres positioner. Havstokkebær er til venstre, den fligede kamgelé til højre.
Denne artikel blev genoptrykt på BusinessInsider.com.