Kiedy Leonid Moroz, neurobiolog w Whitney Laboratory for Marine Bioscience w St. Augustine, Fla., po raz pierwszy zaczął studiować galaretki grzebieniowe, był zdziwiony. Wiedział, że te prymitywne morskie stworzenia mają komórki nerwowe – odpowiedzialne, między innymi, za orkiestrację rzutkami ich macek i bicie ich opalizujących rzęsek. Ale te neurony wydawały się być niewidzialne. Barwniki, których naukowcy zwykle używają do barwienia i badania tych komórek, po prostu nie działały. Anatomia neuronalna galaretek grzebieniowych była jak nic innego, z czym kiedykolwiek się zetknął.
Po latach badań wydaje mu się, że wie dlaczego. Według tradycyjnej biologii ewolucyjnej neurony wyewoluowały tylko raz, setki milionów lat temu, prawdopodobnie po tym, jak gąbki morskie oddzieliły się od drzewa ewolucyjnego. Moroz uważa jednak, że stało się to dwukrotnie – raz u przodków galaretek grzebieniowych, które oddzieliły się mniej więcej w tym samym czasie co gąbki morskie, a raz u zwierząt, które dały początek meduzom i wszystkim późniejszym zwierzętom, w tym nam. Jako dowód przytacza fakt, że galaretki grzebieniowe mają stosunkowo obcy system neuronalny, wykorzystujący inne substancje chemiczne i architekturę niż nasz własny. „Kiedy patrzymy na genom i inne informacje, widzimy nie tylko inną gramatykę, ale inny alfabet” – powiedział Moroz.
Kiedy Moroz zaproponował swoją teorię, biolodzy ewolucyjni byli sceptyczni. Neurony są najbardziej złożonym typem komórek w istnieniu, argumentowali krytycy, zdolne do przechwytywania informacji, dokonywania obliczeń i wykonywania decyzji. Ponieważ są one tak skomplikowane, jest mało prawdopodobne, że wyewoluowały dwukrotnie.
Ale nowe wsparcie dla idei Moroza pochodzi z ostatniej pracy genetycznej sugerującej, że galaretki grzebieniowe są starożytne – pierwszą grupą, która odgałęzia się od drzewa genealogicznego zwierząt. Jeśli to prawda, to zwiększyłoby to szansę, że wyewoluowały one neurony na własną rękę.
Debata wywołała intensywne zainteresowanie wśród biologów ewolucyjnych. Praca Moroza nie tylko kwestionuje pochodzenie mózgu i ewolucyjną historię zwierząt. Podważa również głęboko zakorzenioną ideę, że ewolucja postępuje stale do przodu, budując złożoność w czasie.
Pierwszy podział
Gdzieś w sąsiedztwie 540 milionów lat temu, ocean był przygotowany na eksplozję życia zwierzęcego. Wspólny przodek wszystkich zwierząt przemierzał morza, gotowy do zróżnicowania się w bogaty wachlarz fauny, jaki widzimy dzisiaj.
Naukowcy od dawna zakładają, że gąbki były pierwszymi, które odgałęziły się od głównego pnia drzewa genealogicznego zwierząt. Są one jedną z najprostszych klas zwierząt, pozbawioną wyspecjalizowanych struktur, takich jak nerwy czy układ pokarmowy. Większość z nich polega na otaczającym je przepływie wody, aby zbierać pokarm i usuwać odpady.
Później, jak się powszechnie uważa, reszta linii zwierząt podzieliła się na galaretki grzebieniowe, znane również jako kenofory (wymawiane jako TEN-oh-cztery); knidaria (meduzy, koralowce i ukwiały); bardzo proste zwierzęta wielokomórkowe zwane łożyskowcami; i w końcu dwudyszne, gałąź, która doprowadziła do owadów, ludzi i wszystkiego pomiędzy.
Ale ustalenie dokładnej kolejności, w jakiej dzieliły się wczesne gałęzie zwierząt, było notorycznie drażliwym problemem. Mamy niewielkie poczucie tego, co zwierzęta wyglądały tak wiele milionów lat temu, ponieważ ich miękkie ciała pozostawiły niewiele namacalnych dowodów w skałach. „Zapis kopalny jest punktowy,” powiedziała Linda Holland, biolog ewolucyjny w Scripps Institution of Oceanography na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.
Aby nadrobić naszą niezdolność do zajrzenia w przeszłość, naukowcy wykorzystują morfologię (strukturę) i genetykę żywych zwierząt, aby spróbować zrekonstruować relacje starożytnych. Ale w przypadku galaretek grzebieniowych, badanie żywych zwierząt stanowi poważne wyzwanie.
Niewiele wiadomo o podstawowej biologii galaretek grzebieniowych. Zwierzęta te są niezwykle delikatne, często rozpadają się na kawałki po złapaniu ich w sieć. I trudno jest je hodować w niewoli, co czyni je niemal niemożliwymi do przeprowadzenia rutynowych eksperymentów, które naukowcy mogą wykonywać na innych zwierzętach.
Przez długi czas uważano, że galaretki grzebieniowe są blisko spokrewnione z meduzami. Z ich symetryczne plany ciała i galaretowaty makijaż, dwa gatunki zewnętrznie przypominają siebie nawzajem. Jednak zwierzęta te pływają i polują inaczej – meduzy mają żądlące macki, podczas gdy grzebienie mają macki lepkie. A na poziomie genomu, galaretki grzebieniowe są bliższe gąbkom, które w ogóle nie mają układu nerwowego.
W galaretkach grzebieniowych lub w jakimkolwiek innym zwierzęciu, analiza ewolucyjna, która opiera się na morfologii, może prowadzić do jednego drzewa ewolucyjnego, podczas gdy ta, która wykorzystuje dane genomowe, lub nawet różne rodzaje danych genomowych, może prowadzić do innego. Rozbieżności często wywołują gorącą debatę w terenie.
Jedna z takich debat pojawiła się w 2008 roku, kiedy Mark Martindale, obecnie dyrektor Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Harvarda, i współpracownicy opublikowali badania, w których analizowali sekwencje genów z 29 różnych zwierząt. Po rozważeniu danych genetycznych badacze zaproponowali szereg zmian w drzewie zwierząt.
Zdecydowanie najbardziej kontrowersyjną z tych zmian była sugestia, że kenofory powinny zastąpić gąbki jako najwcześniejsza gałąź zwierząt. Jeśli ewolucja zwiększa złożoność w czasie, jak tradycyjnie uważali biolodzy, to pozornie prosty organizm, taki jak gąbka, powinien poprzedzać pozornie bardziej złożony organizm, taki jak galaretka grzebieniowa. Dane genetyczne Martindale’a i Giribeta sugerowały co innego, ale krytycy mieli wątpliwości. „Byliśmy dość mocno wyśmiewany przez całą społeczność naukową,” Martindale said.
Martindale i jego współpracownicy potrzebowali zebrać więcej dowodów dla ich propozycji. Przekonali National Institutes of Health do sekwencjonowania genomu galaretki grzebieniowej, orzecha morskiego, który został opublikowany w Science w 2013 roku. Moroz i jego współpracownicy opublikowali genom drugiego kenofora, agrestu morskiego, w Nature w 2014 roku. Obie prace, w których wykorzystano szerszy zakres danych i bardziej zaawansowane metody analizy niż w pracy z 2008 roku, wspierają drzewo kenoforowe (ctenophore-first tree). Trzecia praca analizująca publicznie dostępne dane genomowe i umieszczona na serwerze preprintów biorxiv.org na początku tego roku również wspiera ideę, że galaretki grzebieniowe rozgałęziły się jako pierwsze.
W świetle nowych dowodów naukowcy zaczynają poważnie traktować ten pomysł, choć wielu w tej dziedzinie twierdzi, że nie ma wystarczającej ilości danych, aby wysunąć jakiekolwiek mocne twierdzenia. Ten punkt widzenia znalazł odzwierciedlenie w wielu artykułach przeglądowych opublikowanych w ciągu ostatniego roku, z których wiele utrzymuje, że galaretki grzebieniowe nie są tak naprawdę najstarszą gałęzią; one po prostu wydają się nią być.
Delikatne galaretki grzebieniowe ewoluowały szybciej niż inne starożytne grupy zwierząt, co oznacza, że ich sekwencje genów zmieniały się szybko w czasie. To z kolei oznacza, że analiza genetyczna ich miejsca w drzewie ewolucyjnym może podlegać obliczeniowemu artefaktowi zwanemu „przyciąganiem długich gałęzi”, rodzajowi usterki, która może pociągnąć szybko ewoluujące organizmy do podstawy drzewa. „Długorozgałęzione grupy zwierząt są często trudne do umiejscowienia” – powiedział Detlev Arendt, biolog ewolucyjny z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej w Niemczech. „Do tej pory dane filogenetyczne nie są tak naprawdę rozstrzygające na temat tego, gdzie należą.”
Naukowcy mają nadzieję, że więcej danych – w tym genomy dodatkowych gatunków kenoforów – pomoże rozwiązać najgłębsze gałęzie drzewa zwierząt. A to z kolei może mieć głębokie implikacje dla naszego zrozumienia neuronów i tego, skąd się wzięły. „Kolejność rozgałęzień ma duży wpływ na to, jak interpretujemy ewolucję układu nerwowego” – powiedział Gáspár Jékely, biolog z Instytutu Biologii Rozwojowej Maxa Plancka w Niemczech.
W rzeczy samej, nawet ci, którzy zgadzają się, że galaretki grzebieniowe pojawiły się jako pierwsze, nie zgadzają się w kwestii tego, jak powstały neurony.
Iskra myśli
Powstanie neuronów było niezwykłym wydarzeniem w ewolucji zwierząt. Komórki te potrafią się komunikować – odbierać, przekazywać i przetwarzać informacje za pomocą precyzyjnego języka chemicznego i elektrycznego. Ich moc wynika ze złożonej sieci, którą tworzą. „Pojedynczy neuron jest jak dźwięk klaskania jednej ręki” – powiedział Martindale. „Cała idea polega na tym, że stawiasz ich razem kilka i mogą one robić rzeczy, których nie potrafi kilka pojedynczych komórek.”
Taki poziom złożoności wymaga nieprawdopodobnego zbiegu wydarzeń ewolucyjnych. Mechanizmy muszą powstać, które nie tylko fizycznie łączą komórki, ale pozwalają im przekazywać i interpretować sygnały. „Powodem, dla którego większość ludzi nie sądzi, że mogły one wyewoluować wiele razy, jest pomysł, że neurony rozmawiają – szczególnie z innymi neuronami”, powiedział Martindale.
To właśnie sprawia, że propozycja Moroza – że neurony wyewoluowały dwa razy, raz w galaretkach grzebieniowych i raz u innych zwierząt – jest tak kontrowersyjna.
Zgodnie z wersją drzewa ewolucyjnego Moroza, zwierzęta zaczęły od wspólnego przodka, który nie miał neuronów. Galaretki grzebieniowe następnie oddzieliły się i poszły dalej, aby rozwinąć swoją dziwną markę neuronów. Następnie odłączyli się przodkowie gąbek i placozoanów. Podobnie jak ich przodkowie, nie posiadały one neuronów. Rudymentarne neurony, lub protoneurony, wyewoluowały po raz drugi u przodków meduz i dwudysznych, tworząc podstawę układu nerwowego wszystkich późniejszych potomków, w tym ludzi. „Moim zdaniem prostsze i bardziej realistyczne jest to, że wspólny przodek nie miał układu nerwowego” – powiedział Moroz. (Uważa on, że nawet jeśli galaretki grzebieniowe oddzieliły się po gąbkach, to nadal rozwijały neurony niezależnie.)
Ale niektórzy naukowcy, którzy wierzą, że kenofory odgałęziają się najpierw, malują inny obraz. Sugerują oni, że wspólny przodek wszystkich zwierząt miał prosty układ nerwowy, który gąbki następnie utraciły. Comb galaretki i pozostała gałąź, która obejmuje naszych przodków, bilaterians, zbudowany na tych protoneurons w różny sposób, rozwijając coraz bardziej wyrafinowane systemy nerwowe.
„Ctenophores-first pomysł, jeśli poprawne, sugeruje coś naprawdę interesującego dzieje”, powiedział Christopher Lowe, biolog w Hopkins Marine Station na Uniwersytecie Stanforda. „Obie interpretacje są głębokie”. Z jednej strony, dwa niezależne pochodzenia neuronów byłyby zaskakujące, ponieważ wydaje się mało prawdopodobne, że dokładna sekwencja wypadków genetycznych, która stworzyła neurony, mogłaby się zdarzyć więcej niż raz. Ale wydaje się również mało prawdopodobne, że gąbki straciłyby coś tak cennego jak neuron. „Jedyny przykład, jaki znamy z bilaterii, gdzie układ nerwowy został całkowicie utracony, jest u pasożytów” – powiedział Lowe.
Dwie możliwości odzwierciedlają klasyczne zagadnienie dla biologów ewolucyjnych. „Czy to zwierzę straciło coś, czy nie miało tego na początku?” powiedział Holland. W tym szczególnym przypadku, „Uważam, że trudno jest zająć stanowisko,” ona said.
Ewolucja jest rife z przykładami zarówno straty i równoległej ewolucji. Niektóre robaki i inne zwierzęta mają rzucić cząsteczki regulacyjne lub geny rozwojowe zatrudnionych przez resztę królestwa zwierząt. „To nie jest bezprecedensowe dla ważnych uzupełnień genów, aby być utracone w głównych linii zwierząt,” powiedział Lowe. Ewolucja zbieżna, w której dobór naturalny wytwarza dwie podobne struktury niezależnie od siebie, jest dość powszechna w przyrodzie. Siatkówka, na przykład, ewoluowała niezależnie od siebie kilka razy. „Różne zwierzęta czasami używają skrajnie różnych zestawów narzędzi, aby stworzyć morfologicznie podobne neurony, obwody i mózgi,” powiedział Moroz. „Wszyscy akceptują przypadek oka, ale myślą, że mózg lub neuron zdarzył się tylko raz.”
Pierwszy dowód Moroza na niezależne pochodzenie neuronów w galaretkach grzebieniowych pochodzi z ich niezwykłych systemów nerwowych. „System nerwowy kenofora jest dramatycznie różny od każdego innego systemu nerwowego,” powiedziała Andrea Kohn, biolog molekularny, która pracuje z Morozem. Galaretki grzebieniowe wydają się nie posiadać powszechnie używanych chemicznych posłańców, które posiadają inne zwierzęta, takich jak serotonina, dopamina i acetylocholina. (Używają glutaminianu, prostej cząsteczki, która odgrywa główną rolę w sygnalizacji neuronalnej u zwierząt). Zamiast tego, mają geny, które są przewidywane do produkcji szeregu peptydów neuronowych, małych białek, które mogą również działać jako posłańców chemicznych. „Żadne inne zwierzę, z wyjątkiem tego azylu, nie ma czegoś takiego”, powiedział Kohn.
Ale krytycy kwestionują to twierdzenie, jak również. Być może comb galaretki naprawdę mają geny dla serotoniny i innych neuronowych cząsteczek sygnalizacyjnych, ale te geny ewoluowały poza rozpoznaniem, Arendt powiedział. „To może po prostu oznaczać, że są bardzo wyspecjalizowane”, powiedział.
Naukowcy na wszystkich stronach debaty mówią, że może to być tylko odpowiedział z większą ilością danych, a co ważniejsze, lepsze zrozumienie biologii galaretki grzebienia. Nawet jeśli dzielą one niektóre geny z organizmami modelowymi, takimi jak myszy i muszki owocowe, nie jest jasne, co te geny robią w galaretkach grzebieniowych. Ani naukowcy nie rozumieją ich podstawowej biologii komórki, jak jak neurony galaretki grzebienia komunikują się.
Ale trwająca debata wywołała zainteresowanie ctenophores, a więcej badaczy bada ich systemy nerwowe, rozwój i geny. „Moroz i współpracownicy rzucili światło na tę część drzewa, co jest dobrą rzeczą” – powiedział Holland. „Nie powinniśmy ignorować tych facetów tam na dole.”
Sprostowanie 26 marca 2015: Oryginalny podpis opisujący dwie galaretki grzebieniowe odwrócił ich pozycje. Agrest morski jest po lewej stronie, galaretka grzebieniowa z płatami po prawej.
Ten artykuł został przedrukowany na BusinessInsider.com.
.