När Leonid Moroz, neurovetenskapsman vid Whitney Laboratory for Marine Bioscience i St. Augustine, Fla., först började studera kammargeléer blev han förbryllad. Han visste att de primitiva havsvarelserna hade nervceller – som bland annat ansvarar för att dirigera tentaklarnas pilgrimsrörelser och slaget från deras iriserande cilier. Men dessa nervceller verkade vara osynliga. De färgämnen som forskare vanligtvis använder för att färga och studera dessa celler fungerade helt enkelt inte. Kammarens neurala anatomi liknade ingenting annat som han någonsin hade stött på.
Efter år av studier tror han att han vet varför. Enligt den traditionella evolutionsbiologin utvecklades neuronerna bara en gång, för hundratals miljoner år sedan, troligen efter att havssvamparna förgrenat sig från det evolutionära trädet. Men Moroz tror att det skedde två gånger – en gång i kammaneternas förfäder, som delade sig ungefär samtidigt som havssvamparna, och en gång i de djur som gav upphov till maneterna och alla efterföljande djur, inklusive oss. Som bevis anför han det faktum att kammaneter har ett relativt främmande nervsystem som använder andra kemikalier och en annan arkitektur än vårt eget. ”När vi tittar på genomet och annan information ser vi inte bara en annan grammatik utan ett annat alfabet”, säger Moroz.
När Moroz föreslog sin teori var evolutionsbiologerna skeptiska. Neuroner är den mest komplexa celltypen som finns, hävdade kritikerna, som kan fånga information, göra beräkningar och utföra beslut. Eftersom de är så komplicerade är det osannolikt att de skulle ha utvecklats två gånger.
Men nytt stöd för Moroz idé kommer från nyligen utfört genetiskt arbete som tyder på att kammargeléer är urgamla – den första gruppen som förgrenade sig från djurens släktträd. Om det är sant skulle det stärka chansen att de utvecklade neuroner på egen hand.
Debatten har skapat ett intensivt intresse bland evolutionsbiologer. Moroz arbete ifrågasätter inte bara hjärnans ursprung och djurens evolutionära historia. Det utmanar också den djupt förankrade idén att evolutionen går stadigt framåt och bygger upp komplexitet med tiden.
Den första splittringen
Någonstans i närheten av 540 miljoner år sedan var havet redo för en explosion av djurliv. Den gemensamma förfadern till alla djur strövade runt i haven, redo att diversifiera sig till den rika panoply av fauna som vi ser i dag.
Vetenskapsmännen har länge antagit att svamparna var de första som förgrenade sig från huvudstammen i djurens släktträd. De är en av de enklaste klasserna av djur och saknar specialiserade strukturer, t.ex. nerver eller ett matsmältningssystem. De flesta förlitar sig på det omgivande vattenflödet för att samla in föda och avlägsna avfall.
Senare, som man i allmänhet tror, delade sig resten av djurstammarna i kammaneter, även kända som ctenophorer (uttalas TEN-oh-fours), nässeldjur (maneter, koraller och anemoner), mycket enkla flercelliga djur som kallas placozoa och så småningom bilaterianer, den gren som ledde till insekter, människor och allt däremellan.
Men att reda ut den exakta ordningen i vilken de tidiga djurgrenarna delade sig har varit ett notoriskt törnande problem. Vi har liten uppfattning om hur djuren såg ut för så många miljoner år sedan eftersom deras mjuka kroppar lämnat få konkreta spår i stenar. ”Fossilregistret är fläckigt”, säger Linda Holland, evolutionsbiolog vid Scripps Institution of Oceanography vid University of California, San Diego.
För att kompensera för vår oförmåga att se in i det förflutna använder sig forskarna av levande djurs morfologi (struktur) och genetik för att försöka rekonstruera förhållandet mellan de gamla djuren. Men när det gäller kammusslor innebär studiet av levande djur allvarliga utmaningar.
Vidare lite är känt om kammusslors grundläggande biologi. Djuren är otroligt ömtåliga och faller ofta i bitar när de fastnar i ett nät. Och det är svårt att föda upp dem i fångenskap, vilket gör det nästan omöjligt att göra de rutineexperiment som forskare kan utföra på andra djur.
Länge trodde man att kammaneterna var nära besläktade med maneter. Med sina symmetriska kroppsplaner och sin gelatinösa sammansättning liknar de två arterna varandra utåt sett. Men djuren simmar och jagar på olika sätt – maneter har stickande tentakler, medan kammaneter har klibbiga tentakler. Och på genomnivå är kammaneter närmare svampar, som inte har något nervsystem alls.
I kammaneter eller andra djur kan en evolutionär analys som bygger på morfologi leda till ett evolutionärt träd, medan en analys som bygger på genomiska data, eller till och med olika typer av genomiska data, kan leda till ett annat. Diskrepanserna väcker ofta en hetsig debatt inom området.
En sådan debatt uppstod 2008 när Mark Martindale, numera chef för Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, evolutionsbiolog vid Harvard University, och medarbetare publicerade en studie som analyserade gensekvenser från 29 olika djur. Efter att ha övervägt de genetiska uppgifterna föreslog forskarna ett antal förändringar av djurträdet.
Den i särklass mest kontroversiella av dessa förändringar var förslaget om att ctenophorerna skulle ersätta svamparna som den tidigaste grenen av djur. Om evolutionen ökar komplexiteten med tiden, vilket biologer traditionellt har trott, borde en till synes enkel organism som svampen föregå en till synes mer komplex organism som kamgelén. Martindale och Giribets genetiska data tydde på motsatsen, men kritikerna var tveksamma. ”Vi blev i stort sett förlöjligade av hela forskarsamhället”, säger Martindale.
Martindale och hans medarbetare behövde samla in fler bevis för sitt förslag. De övertalade National Institutes of Health att sekvensera arvsmassan hos en kamgelé, havsvalnöt, vilket publicerades i Science 2013. Moroz och hans medarbetare publicerade ett andra ctenophore-genom, havskräftan, i Nature 2014. Båda artiklarna, som använde mer omfattande data och mer sofistikerade analysmetoder än 2008 års försök, stöder ctenophore-first-trädet. En tredje artikel som analyserar offentligt tillgängliga genomdata och som publicerades på preprint-servern biorxiv.org tidigare i år stöder också idén om att kammaneterna förgrenade sig först.
I ljuset av de nya bevisen börjar forskarna ta idén på allvar, även om många inom området säger att det inte finns tillräckligt med data för att göra några starka påståenden. Detta synsätt har återspeglats i en uppsjö av översiktsartiklar som publicerats under det senaste året, varav många hävdar att kammaneterna egentligen inte är den äldsta grenen; de verkar bara vara det.
Kammaneterna har utvecklats snabbare än de andra gamla djurgrupperna, vilket innebär att deras gensekvenser förändrades snabbt över tiden. Detta innebär i sin tur att den genetiska analysen av deras plats i det evolutionära trädet kan vara föremål för en beräkningsartefakt som kallas ”attraktion av långa grenar”, ett slags glapp som kan dra snabbt utvecklande organismer till basen av trädet. ”Djurgrupper med långa grenar är ofta svåra att placera”, säger Detlev Arendt, evolutionsbiolog vid European Molecular Biology Laboratory i Tyskland. ”Hittills är de fylogenetiska uppgifterna inte riktigt entydiga om var de hör hemma.”
Vetenskapsmännen hoppas att fler uppgifter – inklusive genom av ytterligare ctenophore-arter – kommer att bidra till att lösa de djupaste grenarna i djurträdet. Och det kan i sin tur få djupgående konsekvenser för vår förståelse av neuronerna och var de kommer ifrån. ”Förgreningsordningen har ett stort inflytande på hur vi tolkar nervsystemets utveckling”, säger Gáspár Jékely, biolog vid Max Planck Institute for Developmental Biology i Tyskland.
Förvisso är till och med de som är eniga om att kammaneterna kom först oeniga i frågan om hur neuronerna uppstod.
Tänkandets gnista
Skapandet av neuroner var en anmärkningsvärd händelse i djurens evolution. Dessa celler kan kommunicera – ta emot, överföra och bearbeta information med hjälp av ett exakt kemiskt och elektriskt språk. Deras kraft härrör från det komplexa nätverk som de skapar. ”En enda neuron är som ljudet av en hand som klappar”, säger Martindale. ”Hela idén är att om man sätter ihop ett gäng av dem kan de göra saker som ett fåtal enskilda celler inte kan göra.”
Denna komplexitetsnivå kräver ett osannolikt sammanflöde av evolutionära händelser. Det måste uppstå mekanismer som inte bara fysiskt förbinder cellerna utan också gör det möjligt för dem att överföra och tolka signaler. ”Anledningen till att de flesta människor inte tror att de kan ha utvecklats flera gånger är idén om att neuroner pratar – särskilt med andra neuroner”, säger Martindale.
Det är det som gör Moroz förslag – att neuroner utvecklats två gånger, en gång i kammargeléer och en gång i andra djur – så kontroversiellt.
Enligt Moroz version av det evolutionära trädet började djuren med en gemensam förfader som inte hade några neuroner. Kammusslor splittrades sedan av och fortsatte att utveckla sitt märkliga märke av neuroner. Därefter grenade förfäderna till svampar och placozoer av sig. Liksom sina förfäder saknade de neuroner. Rudimentära neuroner, eller protoneuroner, utvecklades sedan för andra gången i manetternas och bilatärernas förfäder och utgjorde grunden för det nervsystem som finns hos alla efterkommande ättlingar, inklusive människan. ”Enligt min mening är det enklare och mer realistiskt att den gemensamma förfadern inte hade något nervsystem”, säger Moroz. (Han tror att även om kammarjävlar delade av sig efter svamparna så utvecklade de ändå neuronerna oberoende av varandra.)
Men vissa forskare som tror att ctenophorerna förgrenade sig först målar upp en annan bild. De menar att den gemensamma förfadern till alla djur hade ett enkelt nervsystem, som svamparna sedan förlorade. Kammaneter och den återstående grenen, som inkluderar våra förfäder, bilaterierna, byggde på dessa protoneuroner på olika sätt och utvecklade alltmer sofistikerade nervsystem.
”Idén om att ctenophorerna var först, om den stämmer, tyder på att det är något riktigt intressant som pågår”, säger Christopher Lowe, biolog vid Hopkins Marine Station vid Stanford University. ”Båda tolkningarna är djupgående.” Å ena sidan skulle två oberoende ursprung till neuroner vara överraskande eftersom det verkar osannolikt att den exakta sekvensen av genetiska olyckor som skapade neuroner skulle kunna ske mer än en gång. Men det verkar också osannolikt att svampar skulle förlora något så värdefullt som en neuron. ”Det enda exempel vi känner till från bilaterala djur där nervsystemet förlorades helt och hållet är hos parasiter”, säger Lowe.
De två möjligheterna återspeglar en klassisk gåta för evolutionsbiologer. ”Förlorade det här djuret något eller hade det inte det från början?” Holland sade. I just det här fallet ”tycker jag att det är svårt att ta ställning”, sade hon.
Evolutionen är full av exempel på både förlust och parallell utveckling. Vissa maskar och andra djur har förlorat regleringsmolekyler eller utvecklingsgener som används av resten av djurriket. ”Det är inte ovanligt att viktiga kompletteringar av gener går förlorade i stora djurlinjer”, säger Lowe. Konvergerande evolution, där det naturliga urvalet producerar två liknande strukturer oberoende av varandra, är ganska vanligt i naturen. Näthinnan har till exempel utvecklats oberoende av varandra flera gånger. ”Olika djur använder ibland extremt olika verktygslådor för att skapa morfologiskt liknande neuroner, kretsar och hjärnor”, sade Moroz. ”Alla accepterar ögonfallet, men de tror att hjärnan eller neuronen bara har uppstått en gång.”
Moroz primära bevis för ett oberoende ursprung av neuroner i kammargeléer kommer från deras ovanliga nervsystem. ”Ctenophorernas nervsystem skiljer sig dramatiskt från alla andra nervsystem”, säger Andrea Kohn, en molekylärbiolog som arbetar med Moroz. Kammarjok verkar sakna de vanliga kemiska budbärare som andra djur har, t.ex. serotonin, dopamin och acetylkolin. (De använder däremot glutamat, en enkel molekyl som spelar en viktig roll i neuronala signaler hos djur). I stället har de gener som förutspås producera en mängd neurala peptider, små proteiner som också kan fungera som kemiska budbärare. ”Inget annat djur utom i detta fylum har något liknande”, säger Kohn.
Men kritiker ifrågasätter också detta påstående. Kanske har kammargeléer verkligen generna för serotonin och andra neurala signalmolekyler, men dessa gener har utvecklats bortom igenkänning, sade Arendt. ”Det kan bara betyda att de är mycket specialiserade”, sade han.
Vetenskapsmän på alla sidor av debatten säger att den bara kan besvaras med mer data, och, ännu viktigare, en bättre förståelse av kammargelébiologin. Även om de delar vissa gener med modellorganismer, som möss och fruktflugor, är det oklart vad dessa gener gör i kammaneter. Forskarna förstår inte heller deras grundläggande cellbiologi, t.ex. hur kamgeléneuronerna kommunicerar.
Men den pågående debatten har väckt intresset för ctenophorer, och fler forskare studerar deras nervsystem, utveckling och gener. ”Moroz och medarbetare har satt ljuset på den här delen av trädet, vilket är bra”, säger Holland. ”Vi bör inte ignorera de där killarna där nere.”
Korrigering den 26 mars 2015: En ursprunglig bildtext som beskrev två kammargeléer bytte positioner. Sjögräset står till vänster och den flikiga kamgelén till höger.
Denna artikel återgavs på BusinessInsider.com.