Amikor Leonid Moroz, a floridai St. Augustine-ban található Whitney Laboratory for Marine Bioscience idegkutatója először kezdte tanulmányozni a fésűs kocsonyákat, zavarba jött. Tudta, hogy a primitív tengeri élőlényeknek vannak idegsejtjeik, amelyek többek között csápjaik mozgásának és irizáló csillóik dobogásának irányításáért felelősek. De ezek az idegsejtek láthatatlannak tűntek. Azok a festékek, amelyeket a tudósok általában a sejtek festésére és tanulmányozására használnak, egyszerűen nem működtek. A fésűkocsonyák idegi anatómiája semmi máshoz nem hasonlított, amivel valaha is találkozott.
Évekig tartó tanulmányozás után úgy véli, tudja, miért. A hagyományos evolúcióbiológia szerint az idegsejtek csak egyszer fejlődtek ki, több százmillió évvel ezelőtt, valószínűleg azután, hogy a tengeri szivacsok leágazódtak az evolúciós fáról. Moroz azonban úgy gondolja, hogy ez kétszer történt – egyszer a fésűs medúzák őseiben, amelyek nagyjából a tengeri szivacsokkal egy időben váltak le, és egyszer azokban az állatokban, amelyekből a medúzák és az összes későbbi állat, köztük mi is kialakultak. Bizonyítékként azt a tényt hozza fel, hogy a fésűs medúzáknak viszonylag idegen idegrendszerük van, amely a miénktől eltérő kémiai anyagokat és felépítést alkalmaz. “Ha megnézzük a genomot és más információkat, nemcsak más nyelvtant, hanem más ábécét látunk” – mondta Moroz.
Amikor Moroz felvetette elméletét, az evolúcióbiológusok szkeptikusak voltak. A neuronok a létező legösszetettebb sejttípusok, érveltek a kritikusok, amelyek képesek információt rögzíteni, számításokat végezni és döntéseket végrehajtani. Mivel ilyen bonyolultak, valószínűtlen, hogy kétszer fejlődtek volna ki.
De Moroz elképzelésének új alátámasztása a közelmúltban végzett genetikai munkából származik, amely arra utal, hogy a fésűs kocsonyák ősiek – az első csoport, amely leágazott az állati családfáról. Ha ez igaz, akkor ez megerősítené annak esélyét, hogy a neuronok önállóan fejlődtek ki.
A vita élénk érdeklődést váltott ki az evolúcióbiológusok körében. Moroz munkája nemcsak az agy eredetét és az állatok evolúciós történetét kérdőjelezi meg. Megkérdőjelezi azt a mélyen gyökerező elképzelést is, hogy az evolúció folyamatosan halad előre, és idővel egyre komplexebbé válik.
Az első osztódás
Majdnem 540 millió évvel ezelőtt az óceán az állati élet robbanásszerű megjelenésére készült. Minden állat közös őse bebarangolta a tengereket, készen arra, hogy a ma látható gazdag állatvilággá váljon.
A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy a szivacsok voltak az elsők, amelyek leágazódtak az állati családfa főtörzséről. Ők az állatok egyik legegyszerűbb osztálya, mivel nem rendelkeznek olyan speciális struktúrákkal, mint az idegek vagy az emésztőrendszer. A legtöbbjük a víz környezeti áramlására támaszkodik, hogy összegyűjtse a táplálékot és eltávolítsa a hulladékot.
Később, ahogy azt általában hiszik, az állati ágak többi része szétvált a fésűkocsonyákra, más néven ctenofórákra (ejtsd: TEN-oh-fours); a cnidariákra (medúzák, korallok és anemonák); a placozoa nevű nagyon egyszerű többsejtű állatokra; és végül a kétlakiakra, a rovarokhoz, az emberekhez és minden máshoz vezető ágra.
A korai állati ágak szétválásának pontos sorrendje azonban közismerten kényes probléma. Kevés fogalmunk van arról, hogyan néztek ki az állatok sok millió évvel ezelőtt, mert puha testük kevés kézzelfogható nyomot hagyott a kőzetekben. “A fosszilis feljegyzések foltosak” – mondta Linda Holland, a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem Scripps Oceanográfiai Intézetének evolúcióbiológusa.
A múltba való betekintésünk képtelenségét pótolandó, a tudósok az élő állatok morfológiáját (felépítését) és genetikáját használják arra, hogy megpróbálják rekonstruálni az ősi állatok rokonságát. A fésűs kagylók esetében azonban az élő állatok tanulmányozása komoly kihívást jelent.
A fésűs kagylók alapvető biológiájáról keveset tudunk. Az állatok hihetetlenül törékenyek, gyakran darabokra hullanak, amint hálóba kerülnek. Fogságban pedig nehéz őket nevelni, ami szinte lehetetlenné teszi a rutinkísérletek elvégzését, amelyeket a tudósok más állatokon végezhetnek.
Hosszú ideig úgy gondolták, hogy a fésűs medúzák szoros rokonságban állnak a medúzákkal. Szimmetrikus testfelépítésükkel és zselatinos felépítésükkel a két faj külsőleg hasonlít egymásra. Az állatok mégis másképp úsznak és vadásznak – a medúzáknak szúrós csápjaik vannak, míg a fésűs medúzáknak ragadósak. A genom szintjén pedig a fésűs medúzák közelebb állnak a szivacsokhoz, amelyeknek egyáltalán nincs idegrendszerük.
A fésűs medúzák vagy bármely más állat esetében a morfológiára támaszkodó evolúciós elemzés egy evolúciós fához vezethet, míg a genomikai adatokat, vagy akár különböző genomikai adatokat használó elemzés egy másikhoz. Az eltérések gyakran heves vitákat váltanak ki a szakmában.
Egy ilyen vita 2008-ban bontakozott ki, amikor Mark Martindale, a Whitney Laboratórium jelenlegi igazgatója, Gonzalo Giribet, a Harvard Egyetem evolúcióbiológusa és munkatársai közzétettek egy tanulmányt, amelyben 29 különböző állat génszekvenciáit elemezték. A genetikai adatok mérlegelése után a kutatók számos változtatást javasoltak az állatok fáján.
A változtatások közül messze a legvitatottabb az a javaslat volt, hogy az állatok legkorábbi ágaként a szivacsok helyett a ctenofóráknak kellene felváltaniuk a szivacsokat. Ha az evolúció idővel növeli a komplexitást, ahogy a biológusok hagyományosan hiszik, akkor egy olyan látszólag egyszerű szervezetnek, mint a szivacs, egy olyan látszólag összetettebb szervezetet kellene megelőznie, mint a fésűs kocsonya. Martindale és Giribet genetikai adatai mást sugalltak, de a kritikusok kétkedtek. “Nagyjából az egész tudományos közösség nevetségessé tett minket” – mondta Martindale.”
Martindale-nek és munkatársainak több bizonyítékot kellett gyűjteniük a javaslatukhoz. Meggyőzték a National Institutes of Health-et, hogy szekvenálják egy fésűs kocsonya, a tengeri dió genomját, amelyet 2013-ban publikáltak a Science-ben. Moroz és munkatársai 2014-ben a Nature-ben publikálták egy második ctenofóra, a tengeri egres genomját. Mindkét cikk, amelyek a 2008-as erőfeszítésnél nagyobb mennyiségű adatot és kifinomultabb elemzési módszereket alkalmaztak, alátámasztja a ctenofóra-első fát. Egy harmadik, nyilvánosan elérhető genomadatokat elemző és az év elején a biorxiv.org preprint szerveren közzétett tanulmány szintén azt az elképzelést támasztja alá, hogy a fésűkagylók ágazhattak el először.
Az új bizonyítékok fényében a tudósok kezdik komolyan venni az elképzelést, bár sokan a területen azt mondják, hogy nincs elég adat ahhoz, hogy határozott állításokat lehessen tenni. Ezt az álláspontot tükrözi az elmúlt évben megjelent áttekintő cikkek sokasága, amelyek közül sokan azt állítják, hogy a fésűs kocsonyák valójában nem a legrégebbi ág, csak úgy tűnik, hogy az.
A fésűs kocsonyák gyorsabban fejlődtek, mint a többi ősi állatcsoport, ami azt jelenti, hogy génszekvenciájuk gyorsan változott az idők során. Ez viszont azt jelenti, hogy az evolúciós fán elfoglalt helyük genetikai elemzése egy “hosszú ágak vonzásának” nevezett számítási műtétnek lehet kitéve, egyfajta hibának, amely a gyorsan fejlődő szervezeteket a fa aljára húzhatja. “A hosszú ágú állatcsoportokat gyakran nehéz elhelyezni” – mondta Detlev Arendt, a németországi Európai Molekuláris Biológiai Laboratórium evolúcióbiológusa. “Eddig a filogenetikai adatok nem igazán meggyőzőek arról, hogy hová tartoznak.”
A tudósok remélik, hogy további adatok – köztük további ctenofór fajok genomjai – segítenek majd az állatfa legmélyebb ágainak feloldásában. Ez pedig mélyreható hatással lehet az idegsejtekről és azok eredetéről alkotott képünkre. “Az elágazási sorrend nagyban befolyásolja, hogyan értelmezzük az idegrendszer evolúcióját” – mondta Jékely Gáspár, a németországi Max Planck Fejlődésbiológiai Intézet biológusa.
Még azok is, akik egyetértenek abban, hogy a fésűs kocsonyák jöttek létre először, nem értenek egyet abban a kérdésben, hogyan keletkeztek az idegsejtek.
A gondolat szikrája
A neuronok kialakulása figyelemre méltó esemény volt az állati evolúcióban. Ezek a sejtek képesek kommunikálni – információt fogadni, továbbítani és feldolgozni egy precíz kémiai és elektromos nyelv segítségével. Hatalmuk az általuk létrehozott összetett hálózatból ered. “Egyetlen neuron olyan, mint egy kéz tapsoló hangja” – mondta Martindale. “Az egésznek az a lényege, hogy ha egy csomót összeraksz belőlük, akkor olyan dolgokra képesek, amire néhány egyes sejt nem képes.”
A komplexitásnak ez a szintje evolúciós események valószínűtlen egybeesését igényli. Olyan mechanizmusoknak kell kialakulniuk, amelyek nemcsak fizikailag kötik össze a sejteket, hanem lehetővé teszik számukra a jelek továbbítását és értelmezését is. “Az ok, amiért a legtöbb ember nem gondolja, hogy többször is kifejlődhettek, az az elképzelés, hogy a neuronok beszélgetnek – konkrétan más neuronokkal” – mondta Martindale.
Ez teszi olyan ellentmondásossá Moroz javaslatát – miszerint a neuronok kétszer fejlődtek ki, egyszer a fésűkocsonyában, egyszer pedig más állatokban.
Az evolúciós fa Moroz-féle változata szerint az állatok egy közös őstől indultak, amelynek nem voltak neuronjai. A fésűkagylók aztán leváltak, és kifejlesztették a maguk furcsa neuronjait. Ezután a szivacsok és a placozoák ősei ágaznak el. Őseikhez hasonlóan ők is nélkülözték az idegsejteket. A medúzák és a kétéltűek őseiben aztán másodszor is kialakultak kezdetleges neuronok, vagyis protoneuronok, amelyek az összes későbbi leszármazott idegrendszerének alapját képezték, beleértve az embert is. “Véleményem szerint egyszerűbb és reálisabb, hogy a közös ősnek nem volt idegrendszere” – mondta Moroz. (Úgy gondolja, hogy még ha a fésűs kocsonyák a szivacsok után váltak is le, akkor is függetlenül fejlődtek ki idegsejteket.)
De néhány tudós, aki szerint a ctenophorák ágazhattak le először, más képet fest. Szerintük az összes állat közös ősének egyszerű idegrendszerrel rendelkezett, amit a szivacsok később elvesztettek. A fésűkagylók és a fennmaradó ág, amely a mi őseinket, a kétéltűeket is magában foglalja, különböző módon építettek ezekre a protoneuronokra, és egyre kifinomultabb idegrendszert fejlesztettek ki.
“A ctenophores-féle elképzelés, ha helyes, arra utal, hogy valami nagyon érdekes dolog történt” – mondta Christopher Lowe, a Stanford Egyetem Hopkins Tengeri Állomás biológusa. “Mindkét értelmezés mélyreható”. Egyrészt az idegsejtek két független eredete meglepő lenne, mert valószínűtlennek tűnik, hogy az idegsejteket létrehozó genetikai véletlenek pontos sorozata többször is megtörténhetne. De az is valószínűtlennek tűnik, hogy a szivacsok elveszítenének valami olyan értékeset, mint egy neuron. “Az egyetlen példa, amit a kétéltűek közül ismerünk, ahol az idegrendszer teljesen elveszett, az a parazitáknál van” – mondta Lowe.”
A két lehetőség az evolúcióbiológusok klasszikus rejtélyét tükrözi. “Vajon ez az állat elvesztett valamit, vagy eleve nem is rendelkezett vele?” mondta Holland. Ebben a konkrét esetben “nehéz állást foglalni” – mondta.
Az evolúció tele van példákkal mind a veszteségre, mind a párhuzamos evolúcióra. Egyes férgek és más állatok elvesztették az állatvilág többi része által alkalmazott szabályozó molekulákat vagy fejlődési géneket. “Nem példa nélküli, hogy fontos génkomplementek vesznek el a nagyobb állatfajoknál” – mondta Lowe. A konvergens evolúció, amikor a természetes szelekció két hasonló struktúrát egymástól függetlenül hoz létre, meglehetősen gyakori a természetben. A retina például többször is egymástól függetlenül fejlődött ki. “A különböző állatok néha rendkívül különböző eszköztárakat használnak a morfológiailag hasonló neuronok, áramkörök és agyak létrehozásához” – mondta Moroz. “Mindenki elfogadja a szem esetét, de azt hiszik, hogy az agy vagy a neuron csak egyszer történt meg.”
Moroz elsődleges bizonyítéka a fésűs kocsonyák neuronjainak független eredetére a szokatlan idegrendszerükből származik. “A ctenofórák idegrendszere drámaian különbözik minden más idegrendszertől” – mondta Andrea Kohn, a Morozzal együtt dolgozó molekuláris biológus. Úgy tűnik, hogy a fésűkagylókból hiányoznak a más állatok általánosan használt kémiai hírvivő anyagok, például a szerotonin, a dopamin és az acetilkolin. (Használnak viszont glutamátot, egy egyszerű molekulát, amely az állatokban fontos szerepet játszik a neuronális jelátvitelben). Ehelyett olyan génekkel rendelkeznek, amelyek az előrejelzések szerint egy sor neurális peptidet termelnek, olyan kis fehérjéket, amelyek szintén kémiai hírvivőként működhetnek. “A törzsön kívül egyetlen más állat sem rendelkezik ilyesmivel” – mondta Kohn.”
A kritikusok azonban ezt az állítást is megkérdőjelezik. Lehet, hogy a fésűs kocsonyák valóban rendelkeznek a szerotonin és más idegi jelzőmolekulák génjeivel, de ezek a gének a felismerhetetlenségig fejlődtek, mondta Arendt. “Lehet, hogy ez csak azt jelenti, hogy erősen specializálódtak” – mondta.
A vita minden oldalán álló tudósok szerint erre a kérdésre csak több adat, és ami még fontosabb, a fésűkagyló biológiájának jobb megértése adhat választ. Bár néhány génjük közös a modellorganizmusokkal, például az egerekkel és a gyümölcslegyekkel, nem világos, hogy ezek a gének mit csinálnak a fésűs kocsonyákban. A tudósok nem értik az alapvető sejtbiológiájukat sem, például azt, hogyan kommunikálnak a fésűs kocsonya neuronjai.
A folyamatban lévő vita azonban felkeltette az érdeklődést a ctenophorák iránt, és egyre több kutató tanulmányozza idegrendszerüket, fejlődésüket és génjeiket. “Moroz és munkatársai rávilágítottak a fának erre a részére, ami jó dolog” – mondta Holland. “Nem szabad figyelmen kívül hagynunk ezeket a fickókat odalent.”
Korrekció 2015. március 26-án: A két fésűs kocsonyát leíró eredeti képaláírás felcserélte a helyzetüket. A tengeri libatopfélék a bal oldalon, a karéjos fésűskocsonya a jobb oldalon van.
Ez a cikk a BusinessInsider.com-on jelent meg újranyomtatva.