Nowe drzewo genealogiczne zwierząt stawia pytania o pochodzenie układów nerwowych – Ars Technica

Poproś kogokolwiek, aby pomyślał o jakimś zwierzęciu, a prawdopodobnie wpadnie na jednego z naszych krewnych ssaków. Niektórzy mogą pójść dalej i wspomnieć o innych kręgowcach, takich jak ptaki i ryby. Ale te ledwie zarysowują powierzchnię różnorodności zwierząt, z głowonogami, owadami i szkarłupniami, które mają unikalne cechy.

I to zanim pojawią się naprawdę dziwne rzeczy, takie jak parzydełkowce, które są radiosymetryczne lub gąbki pozbawione komórek mięśniowych i nerwowych. Lub galaretki grzebieniowe, które owijają się wokół siebie, obracając nitkowate rzęski. albo Naprawdę dziwaczne placozoanyOrganizmy podobne do dysków mają dwie strony, ale nie mają wnętrza i nie mogą trawić materiału na swojej powierzchni.

Dla ludzi, którzy myślą, że ewolucja polega na zwiększaniu złożoności organizmów, kuszące jest wyobrażenie sobie, że drzewo genealogiczne zwierząt ewoluowało poprzez stopniowe dodawanie większej liczby rzeczy, takich jak komórki nerwowe i mięśnie. Istnieje jednak stały strumień badań genetycznych wskazujących na istnienie dwóch oddzielnych linii, które kończą się komórkami nerwowymi. Wyniki tych badań zależą od genów i gatunków wybranych do analizy. Ale nowe badanie, które nie opiera się na pojedynczych genach, łączy gąbki bliżej ludzi niż z niektórymi innymi zwierzętami z układem nerwowym.

Rearanżacje chromosomów

Wiele wczesnych badań w tej dziedzinie obejmowało identyfikację pokrewnych genów obecnych u wszystkich zwierząt i ustalenie, w jaki sposób te geny są ze sobą powiązane. Przypuszczalnie organizmy są spokrewnione w ten sam sposób. W wielu sytuacjach może to być bardzo pouczające, ale analiza staje się zagmatwana, gdy duża liczba gatunków rozgałęzia się w krótkich okresach czasu lub gdy poszczególne geny bardzo się zmieniają z powodu presji ewolucyjnej. Tak więc dokładna odpowiedź, którą otrzymujesz, zależy czasami od genów, na które zdecydujesz się spojrzeć.

Nowe badanie stara się uniknąć nieporozumień, przyglądając się, jak geny są rozmieszczone na chromosomach. Poszczególne geny mają tendencję do pozostawania w tym samym miejscu na chromosomie przez długi czas. Szacuje się, że jeden procent genów w typowym genomie zwierzęcym potrzebuje 40 milionów lat, aby przejść do nowego chromosomu. Są więc szanse, że jeśli te cztery geny są teraz obok siebie, były obok siebie u przodków dzisiejszych ssaków, które musiały uniknąć zjedzenia przez dinozaury.

Nie oznacza to, że ci przodkowie mieli taką samą liczbę i układ chromosomów. Występują rearanżacje na dużą skalę, takie jak fuzja lub rozszczepienie chromosomów lub zastąpienie jednego dużego segmentu innym. Ale te duże rearanżacje powodują, że prawie wszystkie sąsiednie geny znajdują się obok siebie, nawet jeśli cała grupa kończy się na innym chromosomie (translokacje obejmują lukę w cząsteczce DNA).

To znaczy złamanie liniowej struktury grupy genów – technicznie tzw Integracja– Bardzo rzadkie w ewolucyjnej historii zwierzęcia. Ponadto, śledząc zmiany w organizacji genów u różnych gatunków, możemy dowiedzieć się, gdzie załamały się poprzednie grupy genetyczne organizmu i gdzie inne gatunki przeszły tę samą rearanżację. Mówi nam, które gatunki są z nami blisko spokrewnione.

Restrukturyzacja nadzoru

Aby wykonać tego typu analizę, musisz wiedzieć, w jaki sposób geny są ułożone na chromosomach. Niedawno opracowaliśmy technologię, która pozwala nam sekwencjonować bardzo długie fragmenty DNA — często dziesiątki tysięcy zasad w jednym odcinku — co znacznie ułatwia tworzenie chromosomów. Naukowcy polegali na kilku genomach zwierząt, w których to zrobiono, i ostatecznie otrzymali kilka własnych do badań. Ponadto zrekonstruowali chromosomy organizmów jednokomórkowych uważanych za blisko spokrewnione ze zwierzętami, aby zapewnić podstawę do wczesnych ustaleń.

Uważa się, że pochodzenie zwierząt miało miejsce około 800 milionów lat temu. Tak więc, chociaż rozbijanie klastrów genów jest rzadkie, jest wystarczająco długie, aby miało miejsce w większości genomu. Naukowcom udało się zidentyfikować prawie 300 genów obecnych w klastrach, które rozciągały się na jednokomórkowych krewnych zwierząt, przy czym największe skupisko obejmowało 29 genów. Kiedy naukowcy przeprowadzili 10 milionów symulacji, które losowo rozkładają geny w oczekiwanym tempie przez 800 milionów lat, nigdy nie doszli do klastra ośmiu genów, więc większość z nich może być prawdziwymi stanami przodków.

Śledząc rekombinacje, naukowcy byli w stanie zidentyfikować osiem rekombinacji wspólnych dla zwierząt leworęcznych i praworęcznych, takich jak kręgowce, a także meduzy (Cnidaria) i gąbki (Porifera). Żaden z nich nie jest pokazany w galaretkach grzebieniowych (Ctenophora). Ponownie wykonali 100 milionów losowych symulacji i nigdy nie widzieli tego dziedzictwa, więc wygląda to realnie.

Oznacza to, że kręgowce takie jak my, a także wszystko po lewej i prawej stronie, są bliżej spokrewnione z gąbkami niż my z galaretami. Pomimo tego, że gąbki nie mają mięśni ani układu nerwowego, żelki grzebieniowe dzielą z nami oba te elementy.

Jak dokładnie by to było?

Oprócz braku nerwów i mięśni, gąbki są niezwykłe, ponieważ wiele z nich ma wewnętrzną zmineralizowaną strukturę nieco podobną do szkieletu. Wiele z nich używa do tego węglanu wapnia, ale niektóre gatunki wytwarzają go z krzemionki, która bardzo różni się od wszystkiego, co robią ludzie dwunożni. Nie mają nic takiego jak wewnętrzny układ pokarmowy.

Ale jeśli wydają się dziwacznymi kuzynami, placozoanie są wujami ucztującymi z rodziny zwierząt. Są to dwustronne dyski, które poruszają się w skoordynowany sposób po powierzchniach. Gdy przedzierają się przez jedzenie, tworzą woreczek u podstawy dysku i trawią go na miejscu. Wszystkie z nich występują bez widocznych komórek nerwowych lub mięśniowych, chociaż istnieją doniesienia o doświadczaniu przez nie skoków aktywności elektrycznej, które u innych zwierząt są cechami charakterystycznymi komórek nerwowych.

Ponownie, te grupy są z nami bliżej spokrewnione niż galaretki grzebieniowe z sieciami nerwowymi i komórkami mięśniowymi.

Istnieją dwa możliwe wyjaśnienia tego zjawiska i w tym momencie nie można ich rozróżnić. Po pierwsze, przodkowie gąbek i placozoanów mieli mięśnie i komórki nerwowe, ale stracili je podczas ewolucji, radykalnie upraszczając swoje plany budowy ciała na przestrzeni setek milionów lat. Jest to przeciwieństwo tego, jak większość ludzi oczekuje, że ewolucja będzie działać, ale istnieje wiele organizmów, które dobrze prosperują dzięki prostym planom budowy ciała (wiele z nich to pasożyty). A wodorosty kwitły na zajmowanej przez nie przestrzeni. Placozoany również mogą się rozwijać, ale są małe i łatwe do zaobserwowania, więc nie mamy na ten temat pełnego zrozumienia.

Zamiast tego mięśnie i komórki nerwowe wyewoluowały dwukrotnie. To może wydawać się niemożliwe, ale jest kilka rzeczy, które wskazują w tym kierunku. Po pierwsze, wydaje się, że istnieją znaczące różnice między komórkami nerwowymi i mięśniowymi galaretek grzebieniowych oraz między zwierzętami lewo- i prawostronnymi. Placozoany, jak wspomniano powyżej, wydają się mieć zachowanie podobne do komórek nerwowych, chociaż brakuje im komórek nerwowych. Wodorosty wytwarzają również wiele kompleksów białkowych niezbędnych do funkcjonowania komórek nerwowych. Dlatego przodkowie wszystkich tych zwierząt mogli posiadać fragmenty, które pozwalały komórkom nerwowym ewoluować z mniejszą liczbą zmian, niż było to wymagane.

Rozróżnienie tych możliwości będzie poważnym wyzwaniem i jest mało prawdopodobne, aby zebranie większej liczby sekwencji genomu dostarczyło nam odpowiedzi. Zamiast tego powinniśmy zacząć pracować nad hodowlą galaretek grzebieniowych w laboratorium, abyśmy mogli bliżej przyjrzeć się ich komórkom nerwowym i mięśniowym.

Przyroda, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05936-6 (O DOI).