Nowe drzewo genealogiczne zwierząt rodzi pytania o pochodzenie układu nerwowego – Ars Technica

Poproś kogoś, aby pomyślał o jakimś zwierzęciu, a prawdopodobnie wpadnie na jednego z naszych krewnych ssaków. Kilka osób posunęłoby się nawet do wzmianki o innych kręgowcach, takich jak ptaki i ryby. Ale te ledwo rysują powierzchnię różnorodności zwierząt, a rzeczy takie jak głowonogi, owady i szkarłupnie mają różne cechy.

I to zanim dojdziesz do naprawdę dziwnych rzeczy, takich jak promieniście symetryczne wydrążone przedmioty lub gąbki pozbawione mięśni i komórek nerwowych. Lub galaretki grzebieniowe, które poruszają się, obracając wiele nitkowatych rzęsek. albo Oddity to naprawdę dziwna posturaStworzenia podobne do dysków, które mają dwie strony, ale nie mają wnętrza i trawią rzeczy na ich powierzchni.

Dla ludzi, którzy sądzą, że ewolucja polega na zwiększaniu złożoności organizmów, kuszące jest wyobrażenie sobie, że drzewo genealogiczne zwierzęcia powstało poprzez stopniowe dodawanie kolejnych elementów, takich jak komórki nerwowe i mięśnie. Ale istnieje stały strumień badań genetycznych wskazujących, że istnieją dwie oddzielne linie, które zakończyły się neuronami. Wyniki tych badań w niewielkim stopniu zależały od genów i gatunków wybranych do analizy. Ale nowe badanie, które nie opiera się na poszczególnych genach, teraz zdecydowanie pozycjonuje gąbki jako bliżej spokrewnione z ludźmi niż niektóre inne zwierzęta z układem nerwowym.

przestawia chromosomy

Większość wczesnych badań w tej dziedzinie obejmowała identyfikację pokrewnych genów obecnych u wszystkich zwierząt i poznanie, w jaki sposób te geny są ze sobą powiązane. Zakłada się, że same organizmy są spokrewnione w ten sam sposób. Może to być bardzo przydatne w wielu sytuacjach, ale analiza bywa myląca, gdy wiele gatunków różni się w krótkim czasie lub gdy poszczególne geny bardzo się zmieniają z powodu presji ewolucyjnej. Dlatego dokładna odpowiedź, którą otrzymasz, może czasami zależeć od tego, które geny zdecydujesz się obejrzeć.

Nowe badanie próbuje uniknąć nieporozumień, przyglądając się, jak geny są rozmieszczone na chromosomach. Okazuje się, że poszczególne geny mają tendencję do pozostawania w tym samym miejscu na chromosomie przez długi czas. Szacuje się, że potrzeba 40 milionów lat, aby zaledwie jeden procent genów z typowego genomu zwierzęcego został przeniesiony do nowego chromosomu. Są więc szanse, że jeśli cztery geny są teraz obok siebie, były obok siebie u przodków dzisiejszych ssaków, które musiałyby uniknąć zjedzenia przez dinozaury.

Nie oznacza to, że ci przodkowie mieli dokładnie taką samą liczbę i układ chromosomów. Występują rearanżacje na dużą skalę, takie jak fuzja lub podział chromosomów lub zamiana dużego segmentu z jednego na drugi. Ale te duże rearanżacje utrzymują prawie wszystkie pobliskie geny obok siebie, nawet jeśli cały zespół kończy się na innym chromosomie (zamiana może obejmować pojedyncze pęknięcie w cząsteczce DNA).

Oznacza to, że rozbicie liniowego układu grupy genów – nazywa się technicznym syntetyczny– bardzo rzadkie w ewolucyjnej historii zwierząt. A śledząc zmiany w kolejności genów u różnych gatunków, możemy dowiedzieć się, gdzie rozpadły się poprzednie kombinacje genów w organizmie i które inne gatunki odziedziczyły to samo przegrupowanie. A to może nam powiedzieć, które organizmy są z nami najbliżej spokrewnione.

Zmień kolejność śledzenia

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 rozciągających się zasad — co znacznie ułatwia ponowne składanie chromosomów. Naukowcy wykorzystali tyle genomów zwierzęcych, ile to było zrobione, i uzupełnili kilka własnych do badań. Ponadto zrekonstruowali chromosomy organizmów jednokomórkowych uważanych za blisko spokrewnione ze zwierzętami, aby zapewnić punkt odniesienia dla ich początkowego układu.

Uważa się, że pochodzenie zwierząt miało miejsce około 800 milionów lat temu. Dlatego, chociaż rozpad klastrów genów jest rzadki, jest to wystarczający czas, aby nastąpiło to w dużej części genomu. Naukowcy byli w stanie zidentyfikować tylko nieco poniżej 300 genów, które znajdowały się w klastrach rozciągających się na krewnych zwierząt jednokomórkowych, przy czym największa grupa obejmowała 29 genów. Kiedy naukowcy przeprowadzili 10 milionów symulacji, które losowo połączyły geny w tempie oczekiwanym przez 800 milionów lat, nigdy nie uzyskali grupy tak dużej, jak osiem genów, więc większość z nich to prawdopodobnie przypadki prawdziwych przodków.

Śledząc przegrupowania, naukowcy byli w stanie zidentyfikować osiem przegrupowań typowych dla prawo- i lewostronnych zwierząt, takich jak my, kręgowce, a także meduzy (Cnidaria) i gąbki (Porifera). Żadnego z nich nie widziano w galaretkach grzebieniowych (Ctenophora). Ponownie przeprowadzili 100 milionów losowych symulacji i nigdy nie widzieli tego wzoru dziedziczenia, więc wydaje się, że jest prawdziwy.

Oznacza to, że zwierzęta takie jak my jako kręgowce, podobnie jak wszystko inne, co ma lewą i prawą stronę, są bliżej związane z gąbkami niż my z galaretami. Dzieje się tak pomimo faktu, że gąbki nie mają mięśni ani układu nerwowego, podczas gdy galaretki grzebieniowe dzielą nas wszystkich.

Jak to może być prawdą?

Oprócz braku nerwów i mięśni, gąbki są niezwykłe, ponieważ wiele z nich ma wewnętrzną strukturę mineralną, która wygląda trochę jak szkielet. Wiele z nich używa do tego węglanu wapnia, ale niektóre typy robią to z krzemionki, która chemicznie bardzo różni się od wszystkiego, co robimy na dwóch nogach. Brakuje mu również czegoś takiego jak wewnętrzny układ pokarmowy.

Ale jeśli wyglądają jak dziwni krewni, Placozoanie są wujem Festerów z rodziny zwierząt. Istnieją one jako dwustronny dysk, który porusza się w skoordynowany sposób po powierzchniach. Kiedy przeskakują przez jedzenie, po prostu tworzą mały woreczek na spodzie dysku i trawią go na miejscu. Wszystko to dzieje się bez widocznych neuronów lub mięśni, chociaż istnieją doniesienia, że ​​doświadczają skoków aktywności elektrycznej, która u innych zwierząt jest cechą charakterystyczną neuronów.

Ponownie, te skupiska wydają się być bliżej spokrewnione z nami niż galaretki grzebieniowe, które zawierają sieci nerwowe i komórki mięśniowe.

Istnieją dwa możliwe wyjaśnienia tego zjawiska i w tym momencie nie można ich rozróżnić. Po pierwsze, przodkowie gąbek i placozoan również mieli mięśnie i komórki nerwowe, ale utracili je w trakcie ewolucji, co radykalnie ułatwiło plany ich ciał na przestrzeni setek milionów lat. Jest to sprzeczne z tym, jak większość ludzi spodziewałaby się, że ewolucja będzie działać, ale istnieje wiele organizmów, które dobrze prosperują dzięki opływowym planom budowy ciała (wiele z nich to pasożyty). Gąbki kwitły w niszy, którą zajmują. Placozoany również mogą kwitnąć, ale są małe i łatwe do przeoczenia, więc nie mamy na ten temat solidnego zrozumienia.

Alternatywą jest to, że rzeczy takie jak mięśnie i komórki nerwowe ewoluowały dwukrotnie. Może się to wydawać niemożliwe, ale jest kilka rzeczy, które wskazują w tym kierunku. Jednym z nich jest to, że wydają się istnieć znaczące różnice między neuronami i mięśniami galaretek grzebieniowych oraz zwierząt prawo- i lewostronnych. Placozoanie, jak wspomniano powyżej, wydają się zachowywać jak neurony, nawet jeśli brakuje im neuronów. Wiele związków białkowych potrzebnych do funkcjonowania komórek nerwowych jest wytwarzanych przez gąbki. Możliwe więc, że przodkowie wszystkich tych zwierząt mieli elementy, które pozwalały neuronom rozwijać się z mniejszą liczbą zmian, niż byłoby to potrzebne w innym przypadku.

Rozróżnienie tych możliwości byłoby poważnym wyzwaniem i jest mało prawdopodobne, aby samo zebranie większej liczby sekwencji genomu dostarczyło nam odpowiedzi. Zamiast tego być może powinniśmy zacząć pracować nad hodowlą galaretek grzebieniowych w laboratorium, abyśmy mogli bliżej przyjrzeć się neuronom i mięśniom.

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