Kun Leonid Moroz, neurotieteilijä Whitney Laboratory for Marine Bioscience -laboratoriossa St. Augustinessa, Flacassa, aloitti kampahyytelöiden tutkimisen, hän oli ymmällään. Hän tiesi, että alkeellisilla merieläimillä oli hermosoluja, jotka muun muassa vastasivat niiden lonkeroiden heiluttelusta ja niiden värikkäiden värekarvojen lyömisestä. Mutta nämä hermosolut näyttivät olevan näkymättömiä. Väriaineet, joita tutkijat yleensä käyttävät solujen värjäämiseen ja tutkimiseen, eivät yksinkertaisesti toimineet. Kammihyytelöiden neuraalinen anatomia ei muistuttanut mitään muuta, mihin hän oli koskaan törmännyt.
Vuosien tutkimusten jälkeen hän uskoo tietävänsä syyn. Perinteisen evoluutiobiologian mukaan neuronit kehittyivät vain kerran, satoja miljoonia vuosia sitten, todennäköisesti sen jälkeen kun merisienet haarautuivat evoluutiopuusta. Moroz kuitenkin uskoo, että se tapahtui kahdesti – kerran kampamelaisten esi-isissä, jotka erkanivat suunnilleen samaan aikaan kuin merisienet, ja kerran eläimissä, jotka synnyttivät meduusat ja kaikki myöhemmät eläimet, meidät mukaan lukien. Hän mainitsee todisteeksi sen, että kampameduusoilla on suhteellisen vieras hermojärjestelmä, jossa käytetään erilaisia kemikaaleja ja joka on rakenteeltaan erilainen kuin meidän hermojärjestelmämme. ”Kun tarkastelemme genomia ja muuta tietoa, emme näe vain erilaista kielioppia vaan myös erilaiset aakkoset”, Moroz sanoi.
Kun Moroz esitti teoriansa, evoluutiobiologit suhtautuivat siihen epäilevästi. Kriitikot väittivät, että neuronit ovat monimutkaisin olemassa oleva solutyyppi, joka kykenee vangitsemaan tietoa, tekemään laskutoimituksia ja suorittamaan päätöksiä. Koska ne ovat niin monimutkaisia, on epätodennäköistä, että ne olisivat kehittyneet kahteen kertaan.
Mutta uutta tukea Morozin ajatukselle saadaan viimeaikaisesta geneettisestä työstä, joka viittaa siihen, että kampahyytelöt ovat ikivanhoja – ensimmäinen ryhmä, joka haarautui eläinten sukupuusta. Jos se pitää paikkansa, se vahvistaisi mahdollisuutta, että ne ovat kehittäneet neuronit itsestään.
Keskustelu on herättänyt suurta kiinnostusta evoluutiobiologien keskuudessa. Morozin työ ei kyseenalaista ainoastaan aivojen alkuperää ja eläinten evoluutiohistoriaa. Se myös kyseenalaistaa syvään juurtuneen ajatuksen siitä, että evoluutio etenee tasaisesti eteenpäin rakentaen monimutkaisuutta ajan mittaan.
Ensimmäinen kahtiajako
Jossain 540 miljoonan vuoden tienoilla 540 miljoonaa vuotta sitten valtameri oli valmis räjähdysmäiseen eläinkunnan syntyyn. Kaikkien eläinten yhteinen esi-isä vaelsi merissä valmiina monipuolistumaan nykyisin näkemämme eläimistön rikkaaksi kirjoksi.
Tutkijat ovat pitkään olettaneet, että sienet olivat ensimmäiset, jotka haarautuivat eläinten sukupuun päärungosta. Ne ovat yksi yksinkertaisimmista eläinluokista, sillä niistä puuttuvat erikoistuneet rakenteet, kuten hermot tai ruoansulatusjärjestelmä. Useimmat luottavat veden virtaukseen kerätessään ravintoa ja poistaessaan jätteitä.
Myöhemmin, kuten yleisesti uskotaan, loput eläinten sukupuusta jakaantuivat kampameleettoihin, jotka tunnetaan myös nimellä ctenoforat (lausutaan TEN-oh-fours); nilviäisiin (meduusat, korallit ja anemonit); hyvin yksinkertaisiin monisoluisiin eläimiin, joita kutsutaan nimellä placozoat; ja lopulta kaksijalkaisiin (bilateriae), eli sivuhaaraan, joka johti hyönteisiin, ihmisiin ja kaikkeen siltä väliltä.
Mutta varhaisten eläinhaarojen jakautumisen tarkan järjestyksen selvittäminen on ollut tunnetusti hankala ongelma. Meillä on vain vähän käsitystä siitä, miltä eläimet näyttivät niin monia miljoonia vuosia sitten, koska niiden pehmeät ruumiit jättivät vain vähän konkreettisia todisteita kiviin. ”Fossiiliaineisto on hajanainen”, sanoo Linda Holland, Kalifornian yliopiston San Diegon Scripps Institution of Oceanography -laitoksessa työskentelevä evoluutiobiologi.
Jotta voisimme korvata kyvyttömyytemme nähdä menneisyyteen, tiedemiehet pyrkivät rekonstruoimaan muinaisten eläinten sukulaisuussuhteita elävien eläinten morfologian (rakenteen) ja genetiikan avulla. Mutta kammihyytelöiden tapauksessa elävien eläinten tutkiminen asettaa vakavia haasteita.
Kammihyytelöiden perusbiologiasta tiedetään vain vähän. Eläimet ovat uskomattoman hauraita, ja usein ne hajoavat palasiksi, kun ne jäävät kiinni verkkoon. Lisäksi niitä on vaikea kasvattaa vankeudessa, mikä tekee lähes mahdottomaksi tehdä rutiinikokeita, joita tutkijat saattaisivat tehdä muilla eläimillä.
Pitkään ajateltiin, että kampameduusat ovat läheistä sukua meduusoille. Symmetrisen ruumiinrakenteensa ja hyytelömäisen koostumuksensa vuoksi nämä kaksi lajia muistuttavat ulkoisesti toisiaan. Eläimet uivat ja saalistavat kuitenkin eri tavoin – meduusoilla on pistävät lonkerot, kun taas kampameleeteillä on tahmeat lonkerot. Ja genomitasolla kampameleenit ovat lähempänä sieniä, joilla ei ole lainkaan hermostoa.
Kampameleenien tai minkä tahansa muun eläimen evoluutioanalyysi, joka perustuu morfologiaan, saattaa johtaa yhteen evoluutiopuuhun, kun taas genomitietoja tai jopa erityyppisiä genomitietoja käyttävä evoluutioanalyysi saattaa johtaa toiseen. Eroavaisuudet herättävät usein kiivasta keskustelua alalla.
Yksi tällainen keskustelu syntyi vuonna 2008, kun Whitney-laboratorion nykyinen johtaja Mark Martindale, Harvardin yliopiston evoluutiobiologi Gonzalo Giribet ja yhteistyökumppanit julkaisivat tutkimuksen, jossa analysoitiin geenisekvenssejä 29 eri eläimestä. Tarkasteltuaan geenitietoja tutkijat ehdottivat useita muutoksia eläinpuuhun.
Ylivoimaisesti kiistanalaisin näistä muutoksista oli ehdotus, jonka mukaan ctenoforien pitäisi korvata sienet eläinten varhaisimpana haarana. Jos evoluutio lisää monimutkaisuutta ajan myötä, kuten biologit ovat perinteisesti uskoneet, näennäisen yksinkertaisen organismin, kuten sienen, pitäisi olla edeltäjänä näennäisesti monimutkaisemmalle organismille, kuten kampahyytelölle. Martindalen ja Giribetin geneettiset tiedot osoittivat muuta, mutta kriitikot suhtautuivat asiaan epäilevästi. ”Koko tiedeyhteisö pilkkasi meitä melko lailla”, Martindale sanoo.
Martindalen ja hänen työtovereidensa oli kerättävä lisää todisteita ehdotuksensa tueksi. He vakuuttivat National Institutes of Healthin sekvensoimaan kampahyytelön, meripähkinän, genomin, joka julkaistiin Science-lehdessä vuonna 2013. Moroz ja hänen yhteistyökumppaninsa julkaisivat toisen ktenofoorin, merikarviaisen, genomin Nature-lehdessä vuonna 2014. Molemmat julkaisut, joissa käytettiin laajempia aineistoja ja kehittyneempiä analyysimenetelmiä kuin vuoden 2008 ponnisteluissa, tukevat ctenophore-first-puuta. Kolmas julkisesti saatavilla olevia genomitietoja analysoiva paperi, joka julkaistiin preprint-palvelimelle biorxiv.org aiemmin tänä vuonna, tukee niin ikään ajatusta, jonka mukaan kammihyytelöt haarautuivat ensimmäisinä.
Uuden todistusaineiston valossa tutkijat ovat alkaneet suhtautua ajatukseen vakavasti, vaikka monien alan edustajien mukaan tietoja ei ole riittävästi vahvojen väitteiden esittämiseen. Tämä näkemys on näkynyt viime vuoden aikana julkaistuissa katsausartikkeleissa, joista monet väittävät, että kampahyytelöt eivät todellisuudessa ole vanhin haara; ne vain näyttävät olevan.
Kampahyytelöt ovat kehittyneet nopeammin kuin muut muinaiset eläinryhmät, mikä tarkoittaa, että niiden geenisekvenssit ovat muuttuneet nopeasti ajan kuluessa. Tämä puolestaan tarkoittaa, että geneettinen analyysi niiden paikasta evoluutiopuussa voi olla altis ”pitkän oksan vetovoimaksi” kutsutulle laskennalliselle artefaktille, eräänlaiselle häiriölle, joka voi vetää nopeasti kehittyviä organismeja puun juurelle. ”Pitkähaaraisia eläinryhmiä on usein vaikea sijoittaa”, sanoo Detlev Arendt, evoluutiobiologi Euroopan molekyylibiologian laboratoriossa Saksassa. ”Toistaiseksi fylogeneettiset tiedot eivät ole oikeastaan vakuuttavia siitä, mihin ne kuuluvat.”
Tutkijat toivovat, että lisätiedot – mukaan lukien uusien ctenofoorilajien genomit – auttavat ratkaisemaan eläinpuun syvimmät oksat. Ja sillä puolestaan voisi olla syvällisiä vaikutuksia ymmärrykseemme neuroneista ja siitä, mistä ne ovat peräisin. ”Haarautumisjärjestyksellä on suuri vaikutus siihen, miten tulkitsemme hermoston evoluutiota”, sanoo Gáspár Jékely, biologi Max Planck Institute for Developmental Biology -instituutissa Saksassa.
Jopa ne, jotka ovat yhtä mieltä siitä, että kampaköynnöseläimet tulivat ensimmäisinä, ovat erimielisiä kysymyksestä, miten neuronit syntyivät.
Ajatuksen kipinä
Neuronien synnyttäminen oli merkittävä tapahtuma eläinkehityksessä. Nämä solut voivat kommunikoida – vastaanottaa, välittää ja käsitellä tietoa käyttäen tarkkaa kemiallista ja sähköistä kieltä. Niiden voima juontuu niiden luomasta monimutkaisesta verkostosta. ”Yksittäinen neuroni on kuin yhden käden taputusääni”, Martindale sanoi. ”Koko ajatus on, että kun niitä laitetaan joukko yhteen, ne pystyvät tekemään asioita, joihin muutama yksittäinen solu ei pysty.”
Tämä monimutkaisuuden taso edellyttää epätodennäköistä evoluutiotapahtumien yhtymäkohtaa. On synnyttävä mekanismeja, jotka eivät ainoastaan yhdistä soluja fyysisesti, vaan mahdollistavat myös signaalien välittämisen ja tulkitsemisen. ”Syy, miksi useimmat ihmiset eivät ajattele, että ne olisivat voineet kehittyä useita kertoja, on ajatus siitä, että neuronit puhuvat – nimenomaan toisille neuroneille”, Martindale sanoo.
Se tekee Morozin ehdotuksesta – että neuronit ovat kehittyneet kahdesti, kerran kammihyytelöissä ja kerran muissa eläimissä – niin kiistanalaisen.
Morozin version mukaan evoluutiopuusta eläimet lähtivät liikkeelle yhteiseltä esivanhemmalta, jolla ei ollut neuroneita. Kammihyytelöt erkanivat sitten ja kehittivät omanlaisensa neuronit. Sen jälkeen pesusienien ja istukkaiden esi-isät haarautuivat. Niiden esi-isien tavoin niiltäkin puuttuivat neuronit. Alkeelliset neuronit eli protoneuronit kehittyivät sitten toisen kerran meduusojen ja kaksijalkaisten esi-isissä, ja ne muodostivat perustan kaikkien myöhempien jälkeläisten, myös ihmisen, hermostolle. ”Mielestäni on yksinkertaisempaa ja realistisempaa, että yhteisellä esi-isällä ei ollut hermostoa”, Moroz sanoi. (Hän uskoo, että vaikka kampahyytelöt erkanisivat sienien jälkeen, ne kehittivät silti hermosoluja itsenäisesti.)
Mutta jotkut tutkijat, jotka uskovat, että ktenoforat erkanivat ensin, piirtävät toisenlaisen kuvan. He esittävät, että kaikkien eläinten yhteisellä esi-isällä oli yksinkertainen hermosto, jonka sienet myöhemmin menettivät. Kammihyytelöt ja jäljelle jäänyt haara, johon kuuluvat esi-isämme, kaksijalkaiset, rakentuivat näiden protoneuronien varaan eri tavoin kehittäen yhä kehittyneempiä hermojärjestelmiä.
”Jos ajatus ctenoforat ensin -ajatuksesta pitää paikkansa, se viittaa siihen, että meneillään on jotakin todella mielenkiintoista”, sanoo Christopher Lowe, Stanfordin yliopiston Hopkinsin meriasemalla työskentelevä biologi. ”Molemmat tulkinnat ovat syvällisiä.” Toisaalta hermosolujen kaksi toisistaan riippumatonta alkuperää olisi yllättävää, koska vaikuttaa epätodennäköiseltä, että hermosoluja synnyttäneiden geneettisten onnettomuuksien tarkka järjestys voisi tapahtua useammin kuin kerran. Mutta vaikuttaa myös epätodennäköiseltä, että sienet menettäisivät jotain niinkin arvokasta kuin neuronin. ”Ainoa tuntemamme esimerkki kaksijalkaisista, jossa hermosto menetettiin kokonaan, on loisilla”, Lowe sanoo.
Kaksi mahdollisuutta kuvastavat evoluutiobiologien klassista pulmaa. ”Menettikö tämä eläin jotain vai eikö sitä alun perin ollut?” Holland sanoi. Tässä nimenomaisessa tapauksessa ”minusta on vaikea ottaa kantaa”, hän sanoi.
Evoluutio on täynnä esimerkkejä sekä menetyksestä että rinnakkaisesta evoluutiosta. Jotkut madot ja muut eläimet ovat kadottaneet säätelymolekyylejä tai kehitysgeenejä, joita muu eläinkunta käyttää. ”Ei ole ennenkuulumatonta, että tärkeät geenien täydennykset katoavat suurissa eläinlinjoissa”, Lowe sanoi. Samansuuntainen evoluutio, jossa luonnonvalinta tuottaa kaksi samankaltaista rakennetta toisistaan riippumatta, on melko yleistä luonnossa. Esimerkiksi verkkokalvo on kehittynyt itsenäisesti useita kertoja. ”Eri eläimet käyttävät joskus äärimmäisen erilaisia työkalupakkeja tehdäkseen morfologisesti samanlaisia neuroneja, piirejä ja aivoja”, Moroz sanoi. ”Kaikki hyväksyvät silmätapauksen, mutta luulevat, että aivot tai neuronit ovat syntyneet vain kerran.”
Morozin ensisijaiset todisteet neuronien itsenäisestä alkuperästä kampahyytelöissä tulevat niiden epätavallisista hermojärjestelmistä. ”Ktenofoorin hermosto eroaa dramaattisesti kaikista muista hermostoista”, sanoo Morozin kanssa työskentelevä molekyylibiologi Andrea Kohn. Kammihyytelöiltä näyttävät puuttuvan yleisesti käytetyt kemialliset viestinvälittäjät, joita muilla eläimillä on, kuten serotoniini, dopamiini ja asetyylikoliini. (Ne käyttävät glutamaattia, yksinkertaista molekyyliä, jolla on tärkeä rooli eläinten hermosolujen viestinnässä.) Sen sijaan niillä on geenejä, joiden on ennustettu tuottavan lukuisia neuraalisia peptidejä, pieniä proteiineja, jotka voivat myös toimia kemiallisina viestinviejinä. ”Missään muussa eläimessä kuin tässä heimossa ei ole mitään vastaavaa”, Kohn sanoi.
Mutta kriitikot kyseenalaistavat myös tämän väitteen. Ehkä kampahyytelöillä todella on serotoniinin ja muiden hermostollisten viestimolekyylien geenit, mutta nämä geenit ovat kehittyneet tunnistamattomiksi, Arendt sanoi. ”Se voisi vain tarkoittaa, että ne ovat pitkälle erikoistuneita”, hän sanoi.
Tutkijat väittelyn kaikilla puolilla sanovat, että kysymykseen voidaan vastata vain lisäämällä tietoja ja ennen kaikkea ymmärtämällä paremmin kampahyytelöiden biologiaa. Vaikka ne jakavat joitakin geenejä malliorganismien, kuten hiirten ja hedelmäkärpästen, kanssa, on epäselvää, mitä nämä geenit tekevät kampahyytelöissä. Tutkijat eivät myöskään ymmärrä niiden perussolubiologiaa, kuten sitä, miten kampahyytelön hermosolut kommunikoivat keskenään.
Jatkuva keskustelu on kuitenkin herättänyt kiinnostusta ktenoforia kohtaan, ja yhä useammat tutkijat tutkivat niiden hermostoa, kehitystä ja geenejä. ”Moroz ja työtoverit ovat valaisseet tätä osaa puusta, mikä on hyvä asia”, Holland sanoi. ”Meidän ei pitäisi sivuuttaa noita kavereita siellä alhaalla.”
Korjaus 26.3.2015: Alkuperäinen kuvateksti, jossa kuvattiin kahta kampahyytelöä, käänsi niiden sijainnin. Merikarviainen on vasemmalla, liuskainen kampahyytelö oikealla.
Tämä artikkeli on painettu uudelleen BusinessInsider.com-sivustolla.