Când Leonid Moroz, cercetător în neuroștiințe la Whitney Laboratory for Marine Bioscience din St. Augustine, Florida, a început să studieze jeleurile pieptene, a fost nedumerit. El știa că aceste creaturi marine primitive aveau celule nervoase – responsabile, printre altele, pentru orchestrarea săgeților tentaculelor lor și a bătăilor ciliatelor lor irizante. Dar acești neuroni păreau să fie invizibili. Coloranții pe care oamenii de știință îi folosesc de obicei pentru a colora și studia aceste celule pur și simplu nu funcționau. Anatomia neuronală a jeleurilor pieptene nu semăna cu nimic altceva pe care îl întâlnise vreodată.
După ani de studiu, el crede că știe de ce. Conform biologiei evoluționiste tradiționale, neuronii au evoluat o singură dată, cu sute de milioane de ani în urmă, probabil după ce bureții de mare s-au ramificat din arborele evolutiv. Dar Moroz crede că acest lucru s-a întâmplat de două ori – o dată la strămoșii meduzelor pieptene, care s-au desprins cam în același timp cu bureții de mare, și o dată la animalele care au dat naștere meduzelor și tuturor animalelor ulterioare, inclusiv nouă. El citează ca dovadă faptul că meduzele pieptene au un sistem neuronal relativ străin, care utilizează substanțe chimice și o arhitectură diferite de ale noastre. „Când ne uităm la genom și la alte informații, vedem nu numai o gramatică diferită, ci și un alfabet diferit”, a spus Moroz.
Când Moroz și-a propus teoria, biologii evoluționiști au fost sceptici. Neuronii sunt cel mai complex tip de celule existente, susțineau criticii, capabili să capteze informații, să facă calcule și să execute decizii. Deoarece sunt atât de complicate, este puțin probabil ca ele să fi evoluat de două ori.
Dar un nou sprijin pentru ideea lui Moroz provine din lucrări genetice recente care sugerează că jeleurile cu pieptene sunt vechi – primul grup care s-a ramificat din arborele genealogic al animalelor. Dacă este adevărat, acest lucru ar consolida șansa ca ele să fi evoluat neuronii pe cont propriu.
Dezbaterea a generat un interes intens în rândul biologilor evoluționiști. Lucrarea lui Moroz nu numai că pune sub semnul întrebării originile creierului și istoria evolutivă a animalelor. Ea contestă, de asemenea, ideea adânc înrădăcinată că evoluția avansează în mod constant, acumulând complexitate în timp.
Prima scindare
Cu aproximativ 540 de milioane de ani în urmă, oceanul era pregătit pentru o explozie a vieții animale. Strămoșul comun al tuturor animalelor cutreiera mările, gata să se diversifice în bogata panoplie de faună pe care o vedem astăzi.
Științii au presupus mult timp că bureții au fost primii care s-au ramificat din trunchiul principal al arborelui genealogic al animalelor. Ei sunt una dintre cele mai simple clase de animale, lipsite de structuri specializate, cum ar fi nervii sau un sistem digestiv. Cei mai mulți se bazează pe curgerea ambientală a apei pentru a colecta hrana și a elimina deșeurile.
Mai târziu, așa cum se crede în general, restul liniei de animale s-a împărțit în jeleuri cu pieptene, cunoscute și sub numele de ctenofori (pronunțat TEN-oh-fours); cnidari (meduze, corali și anemone); animale multicelulare foarte simple numite placozoare; și în cele din urmă bilaterieni, ramura care a dus la insecte, oameni și tot ce se află între ele.
Dar sortarea ordinii exacte în care s-au împărțit primele ramuri de animale a fost o problemă notorie și spinoasă. Nu prea avem o idee despre cum arătau animalele cu atâtea milioane de ani în urmă, deoarece corpurile lor moi au lăsat puține dovezi tangibile în roci. „Registrul fosilelor este pătat”, a declarat Linda Holland, biolog evoluționist la Scripps Institution of Oceanography de la University of California, San Diego.
Pentru a compensa incapacitatea noastră de a vedea în trecut, oamenii de știință folosesc morfologia (structura) și genetica animalelor vii pentru a încerca să reconstruiască relațiile dintre cele vechi. Dar, în cazul jeleurilor pieptene, studiul animalelor vii prezintă provocări serioase.
Se cunosc puține lucruri despre biologia de bază a jeleurilor pieptene. Animalele sunt incredibil de fragile, căzând adesea în bucăți odată ce sunt prinse într-o plasă. Și este dificil să le crești în captivitate, ceea ce face aproape imposibilă efectuarea experimentelor de rutină pe care oamenii de știință le-ar putea efectua pe alte animale.
Pentru o lungă perioadă de timp s-a crezut că jeleurile pieptene sunt strâns legate de meduze. Cu planurile lor corporale simetrice și alcătuirea gelatinoasă, cele două specii se aseamănă în aparență una cu cealaltă. Cu toate acestea, animalele înoată și vânează diferit – meduzele au tentacule înțepătoare, în timp ce jeleurile pieptene au tentacule lipicioase. Iar la nivelul genomului, gelatinele pieptene sunt mai apropiate de bureți, care nu au niciun sistem nervos.
La gelatinele pieptene sau la orice alt animal, o analiză evolutivă care se bazează pe morfologie ar putea duce la un arbore evolutiv, în timp ce una care folosește date genomice, sau chiar tipuri diferite de date genomice, ar putea duce la altul. Discrepanțele stârnesc adesea dezbateri aprinse în domeniu.
O astfel de dezbatere a apărut în 2008, când Mark Martindale, acum director al Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, un biolog evoluționist de la Universitatea Harvard, și colaboratorii au publicat un studiu care a analizat secvențe de gene de la 29 de animale diferite. După ce au luat în considerare datele genetice, cercetătorii au propus o serie de modificări ale arborelui animalelor.
De departe cea mai controversată dintre aceste modificări a fost sugestia că ctenoforii ar trebui să înlocuiască bureții ca fiind cea mai timpurie ramură a animalelor. Dacă evoluția crește complexitatea în timp, așa cum au crezut în mod tradițional biologii, atunci un organism aparent simplu, cum ar fi buretele, ar trebui să preceadă un organism aparent mai complex, cum ar fi jeleul pieptene. Datele genetice ale lui Martindale și Giribet sugerau contrariul, dar criticii erau îndoielnici. „Am fost destul de mult ridiculizați de întreaga comunitate științifică”, a spus Martindale.
Martindale și colaboratorii săi trebuiau să adune mai multe dovezi pentru propunerea lor. Ei au convins National Institutes of Health să secvențieze genomul unei jeleuri de pieptene, nuca de mare, care a fost publicată în Science în 2013. Moroz și colaboratorii săi au publicat genomul unui al doilea ctenofor, coacăzul de mare, în Nature în 2014. Ambele lucrări, care au utilizat date mai extinse și metode de analiză mai sofisticate decât efortul din 2008, susțin arborele „primul ctenofor”. O a treia lucrare care analizează date genomice disponibile public și care a fost postată pe serverul preprint biorxiv.org la începutul acestui an susține, de asemenea, ideea că jeleurile cu pieptene s-au ramificat primele.
În lumina noilor dovezi, oamenii de știință încep să ia în serios această idee, deși mulți din domeniu spun că nu există suficiente date pentru a face afirmații puternice. Acest punct de vedere a fost reflectat într-o avalanșă de articole de analiză publicate în ultimul an, multe dintre acestea susținând că jeleurile cu pieptene nu sunt cu adevărat cea mai veche ramură; ele doar par a fi.
Jeleurile cu pieptene au evoluat mai rapid decât celelalte grupuri de animale vechi, ceea ce înseamnă că secvențele lor genetice s-au schimbat rapid în timp. Acest lucru, la rândul său, înseamnă că analiza genetică a locului lor în arborele evolutiv ar putea fi supusă unui artefact computațional numit „atracția ramurii lungi”, un fel de eroare care poate atrage organismele care evoluează rapid la baza arborelui. „Grupurile de animale cu ramificații lungi sunt adesea dificil de plasat”, a declarat Detlev Arendt, biolog evoluționist la Laboratorul European de Biologie Moleculară din Germania. „Până în prezent, datele filogenetice nu sunt cu adevărat concludente cu privire la locul de apartenență.”
Cercetătorii speră că mai multe date – inclusiv genomurile unor specii suplimentare de ctenofori – vor ajuta la rezolvarea celor mai adânci ramuri ale arborelui animal. Iar acest lucru, la rândul său, ar putea avea implicații profunde pentru înțelegerea noastră despre neuroni și de unde provin aceștia. „Ordinea de ramificare are o influență majoră asupra modului în care interpretăm evoluția sistemului nervos”, a declarat Gáspár Jékely, biolog la Institutul Max Planck pentru Biologie a Dezvoltării din Germania.
De fapt, chiar și cei care sunt de acord că jeleurile cu pieptene au fost primele nu sunt de acord cu privire la modul în care au apărut neuronii.
Scânteia gândirii
Crearea neuronilor a fost un eveniment remarcabil în evoluția animalelor. Aceste celule pot comunica – primind, transmițând și procesând informații cu ajutorul unui limbaj chimic și electric precis. Puterea lor derivă din rețeaua complexă pe care o creează. „Un singur neuron este ca sunetul unei singure mâini care bate din palme”, a spus Martindale. „Întreaga idee este că dacă pui o grămadă dintre ei împreună, ei pot face lucruri pe care câteva celule singure nu le pot face.”
Acest nivel de complexitate necesită o confluență improbabilă de evenimente evolutive. Trebuie să apară mecanisme care nu doar să conecteze fizic celulele, ci să le permită să transmită și să interpreteze semnale. „Motivul pentru care cei mai mulți oameni nu cred că ar fi putut evolua de mai multe ori este ideea că neuronii vorbesc – în mod specific cu alți neuroni”, a spus Martindale.
Este ceea ce face ca propunerea lui Moroz – că neuronii au evoluat de două ori, o dată în jeleurile pieptene și o dată la alte animale – să fie atât de controversată.
Potrivit versiunii lui Moroz a arborelui evolutiv, animalele au pornit de la un strămoș comun care nu avea neuroni. Jeleurile de pieptene s-au desprins apoi și au continuat să dezvolte marca lor ciudată de neuroni. După aceea, strămoșii bureților și placozoarelor s-au ramificat. Ca și strămoșii lor, aceștia nu aveau neuroni. Neuronii rudimentari, sau protoneuronii, au evoluat apoi pentru a doua oară la strămoșii meduzelor și ai biliozaurilor, formând baza sistemului nervos întâlnit la toți descendenții ulteriori, inclusiv la oameni. „În opinia mea, este mai simplu și mai realist ca strămoșul comun să nu fi avut un sistem nervos”, a declarat Moroz. (El crede că, chiar dacă jeleurile cu pieptene s-au desprins după bureți, tot au evoluat neuronii în mod independent.)
Dar unii oameni de știință care cred că ctenoforii s-au ramificat primii prezintă o imagine diferită. Ei sugerează că strămoșul comun al tuturor animalelor avea un sistem nervos simplu, pe care bureții l-au pierdut ulterior. Pieptenele și ramura rămasă, care include strămoșii noștri, bilaterienii, au construit pe baza acelor protoneuronii în moduri diferite, dezvoltând sisteme nervoase din ce în ce mai sofisticate.
„Ideea cu ctenoforii primii, dacă este corectă, sugerează că se întâmplă ceva cu adevărat interesant”, a declarat Christopher Lowe, biolog la Hopkins Marine Station de la Universitatea Stanford. „Ambele interpretări sunt profunde”. Pe de o parte, două origini independente ale neuronilor ar fi surprinzătoare, deoarece pare puțin probabil ca secvența precisă de accidente genetice care a creat neuronii să se întâmple de mai multe ori. Dar, de asemenea, pare puțin probabil ca buretele să piardă ceva atât de valoros precum un neuron. „Singurul exemplu pe care îl cunoaștem de la bilaterieni în care sistemul nervos a fost pierdut complet este la paraziți”, a spus Lowe.
Cele două posibilități reflectă o enigmă clasică pentru biologii evoluționiști. „Acest animal a pierdut ceva sau nu a avut ceva de la început?”. a spus Holland. În acest caz particular, „mi se pare greu să iau o poziție”, a spus ea.
Evoluția este plină de exemple atât de pierderi, cât și de evoluție paralelă. Unii viermi și alte animale au pierdut molecule de reglementare sau gene de dezvoltare folosite de restul regnului animal. „Nu este ceva fără precedent ca importante completări de gene să fie pierdute în principalele linii de animale”, a spus Lowe. Evoluția convergentă, în care selecția naturală produce două structuri similare în mod independent, este destul de frecventă în natură. Retina, de exemplu, a evoluat independent de mai multe ori. „Animale diferite folosesc uneori seturi de instrumente extrem de diferite pentru a realiza neuroni, circuite și creiere similare din punct de vedere morfologic”, a spus Moroz. „Toată lumea acceptă cazul ochiului, dar ei cred că creierul sau neuronii s-au întâmplat o singură dată.”
Primul indiciu al lui Moroz pentru o origine independentă a neuronilor în jeleurile pieptene vine din sistemele lor nervoase neobișnuite. „Sistemul nervos al ctenoforilor este dramatic de diferit de orice alt sistem nervos”, a declarat Andrea Kohn, un biolog molecular care lucrează cu Moroz. Se pare că jeleurile de pieptene nu au mesagerii chimici utilizați în mod obișnuit pe care îi au alte animale, cum ar fi serotonina, dopamina și acetilcolina. (Ele folosesc însă glutamat, o moleculă simplă care joacă un rol major în semnalizarea neuronală la animale). În schimb, ei au gene care, conform previziunilor, produc o mulțime de peptide neuronale, proteine mici care pot acționa, de asemenea, ca mesageri chimici. „Niciun alt animal, cu excepția acestui phylum, nu are așa ceva”, a spus Kohn.
Dar și criticii pun la îndoială această afirmație. Poate că jeleurile pieptene chiar au genele pentru serotonină și alte molecule de semnalizare neuronală, dar aceste gene au evoluat dincolo de recunoaștere, a spus Arendt. „Ar putea însemna doar că sunt extrem de specializate”, a spus el.
Științii din toate părțile dezbaterii spun că se poate răspunde doar cu mai multe date și, mai important, cu o mai bună înțelegere a biologiei jeleului pieptene. Chiar dacă au în comun unele gene cu organisme model, cum ar fi șoarecii și muștele de fructe, nu este clar ce fac acele gene în jeleurile pieptene. De asemenea, oamenii de știință nu înțeleg nici biologia lor celulară de bază, cum ar fi modul în care comunică neuronii jeleului pieptene.
Dar dezbaterea în curs de desfășurare a stârnit interesul pentru ctenofori și tot mai mulți cercetători le studiază sistemele nervoase, dezvoltarea și genele. „Moroz și colaboratorii au pus în lumină această parte a arborelui, ceea ce este un lucru bun”, a spus Holland. „Nu ar trebui să îi ignorăm pe cei de acolo jos.”
Corecție din 26 martie 2015: O legendă originală care descria două jeleuri de pieptene și-a inversat pozițiile. Coacăzul de mare este în stânga, jeleul pieptene lobat în dreapta.
Acest articol a fost reprodus pe BusinessInsider.com.
.