Az új állatcsaládfa kérdéseket vet fel az idegrendszer eredetével kapcsolatban – Ars Technica

Kérj meg valakit, hogy gondoljon egy állatra, és valószínűleg előkerül valamelyik emlős rokonunk. Néhány ember odáig menne, hogy megemlítsen más gerinceseket, például madarakat és halakat. De ezek alig karcolják meg az állatok sokféleségének felszínét, olyan dolgokkal, mint a lábasfejűek, a rovarok és a tüskésbőrűek, külön jellemzőkkel bírnak.

És ez még mielőtt rátérne az igazán furcsa dolgokra, mint például a radiálisan szimmetrikus üreges tárgyakra vagy szivacsokra, amelyekből hiányoznak az izmok és az idegsejtek. Vagy a fésűs zselék, amelyek sok cérnaszerű csillók fonásával mozognak. vagy a Az Oddity nagyon furcsa termetLemezszerű lények, amelyeknek két oldaluk van, de nincs belső, és a felületükön emésztik meg a dolgokat.

Azoknak az embereknek, akik hajlamosak azt gondolni, hogy az evolúció az élőlények bonyolultabbá tételével jár, csábító azt képzelni, hogy egy állat családfája további dolgok, például idegsejtek és izmok fokozatos hozzáadásával keletkezett. De folyamatosan folynak a genetikai vizsgálatok, amelyek azt mutatják, hogy két külön vonal van, amelyek végül neuronokhoz kötöttek. E vizsgálatok eredményei kevéssé függtek az elemzésre kiválasztott génektől és fajoktól. Egy új tanulmány azonban, amely nem támaszkodik egyedi génekre, most határozottan úgy ítéli meg, hogy a szivacsok közelebb állnak az emberhez, mint néhány más idegrendszerű állat.

átrendezi a kromoszómákat

A legtöbb korai tanulmány ezen a területen az összes állatban jelenlévő rokon gének azonosítását és ezeknek a géneknek a kapcsolatának megismerését jelentette. Feltételezzük, hogy maguk az élőlények is hasonló módon kapcsolódnak egymáshoz. Ez sok helyzetben nagyon hasznos lehet, de az elemzés általában zavarossá válik, ha sok faj rövid időn belül eltér egymástól, vagy ha az egyes gének az evolúciós nyomás miatt sokat változnak. Ezért a kapott pontos válasz néha attól függ, hogy melyik gént választja megvizsgálni.

Az új tanulmány megpróbálja elkerülni a zavart azáltal, hogy megvizsgálja, hogyan helyezkednek el a gének a kromoszómákon. Kiderült, hogy az egyes gének hajlamosak hosszú ideig ugyanazon a helyen maradni a kromoszómán. Becslések szerint 40 millió évre van szükség ahhoz, hogy egy tipikus állati genom génjeinek csupán egy százaléka kerüljön át egy új kromoszómára. Valószínű tehát, hogy ha most négy gén van egymás mellett, akkor azok egymás mellett voltak a mai emlősök őseinél, akiknek elkerülniük kellett volna, hogy a dinoszauruszok megegyék őket.

Ez nem jelenti azt, hogy ezeknek az ősöknek pontosan ugyanannyi kromoszómája és elrendezése volt. Nagy léptékű átrendeződések következnek be, mint például a kromoszómák fúziója vagy felosztása, vagy egy nagy szegmens cseréje egyikről a másikra. De ezek a nagy átrendeződések szinte az összes közeli gént egymás mellett tartják, még akkor is, ha az egész összeállítás egy másik kromoszómára kerül (a csere egy DNS-molekula egyetlen törését is magában foglalhatja).

Ez azt jelenti, hogy a gének egy csoportja lineáris elrendezésének lebontását technikainak nevezzük szintetikus– nagyon ritka az állatok evolúciós történetében. A különböző fajok génsorrendjének változásait követve pedig megtudhatjuk, hogy egy organizmusban hol szakadtak szét a korábbi génkombinációk, és mely más fajok örökölték ugyanezt az átrendeződést. És ez megmondhatja, hogy mely organizmusok állnak legközelebb hozzánk.

Követés újrarendelése

Az ilyen típusú elemzés elvégzéséhez tudnia kell, hogyan helyezkednek el a gének a kromoszómákon. Nemrég kifejlesztettünk egy technológiát, amely lehetővé teszi számunkra, hogy nagyon hosszú DNS-darabokat szekvenáljunk – gyakran több tízezer bázis nyúlik ki –, ami sokkal könnyebbé teszi a kromoszómák visszarakását. A kutatók annyi állati genomot használtak fel, amennyit ezt megtették, és elvégeztek néhányat a sajátjukból a vizsgálathoz. Ezen túlmenően rekonstruálták az állatokkal szorosan összefüggő egysejtű szervezetek kromoszómáit, hogy kiindulási elrendeződésük alapját képezzék.

Úgy tartják, hogy az állatok eredete körülbelül 800 millió évvel ezelőtt történt. Ezért, bár a génklaszterek felbomlása ritka, ez elegendő idő ahhoz, hogy ez a genom nagy részén megtörténjen. A kutatók csak alig 300 gént tudtak azonosítani, amelyek olyan klaszterekben voltak, amelyek az egysejtű állatok rokonaira terjedtek ki, és a legnagyobb csoport 29 génből áll. Amikor a kutatók 10 millió szimulációt futtattak le, amelyek véletlenszerűen a 800 millió év alatt várt ütemben rakták össze a géneket, soha nem jutottak nyolc génnél nagyobb csoporthoz, így ezek többsége valószínűleg valódi ősi eset.

Az átrendeződések nyomon követésével a kutatók nyolc olyan átrendeződést tudtak azonosítani, amelyek a jobb- és baloldali állatoknál, például mi, gerinceseknél, valamint a medúzáknál (Cnidaria) és a szivacsoknál (Porifera) jellemzőek. Ezek egyikét sem észlelték a fésűs zselékben (Ctenophora). Ismét 100 millió véletlenszerű szimulációt futtattak, és soha nem látták ezt az öröklődési mintát, tehát úgy tűnik, hogy ez valós.

Ez azt jelenti, hogy az olyan állatok, mint mi, mint gerincesek, minden mással együtt, aminek bal és jobb oldala van, szorosabban kötődnek a szivacsokhoz, mint mi a zseléhez. Ez annak ellenére van így, hogy a szivacsoknak nincs izomzata vagy idegrendszerük, míg a fésűs zselék megosztanak bennünket.

Hogy lehet ez igaz?

Az idegek és izmok hiányától eltekintve a szivacsok szokatlanok abban, hogy sokuknak van egy belső ásványi szerkezete, amely kicsit úgy néz ki, mint egy csontváz. Sokan kalcium-karbonátot használnak az elkészítéséhez, de egyes típusok szilícium-dioxidból készítik, ami kémiailag nagyon különbözik mindentől, amit két lábon készítünk. Hiányzik belőle minden, mint a belső emésztőrendszer.

De ha ezek furcsa rokonoknak tűnnek, a Placozoanok az állatcsalád Festers nagybátyja. Ezek kétoldalas lemezként léteznek, amelyek koordinált módon mozognak a felületeken. Amikor átszelik az ételt, egyszerűen egy kis tasakot képeznek a korong alsó oldalán, és a helyén megemésztik. Mindez nyilvánvaló neuronok vagy izmok nélkül történik, bár vannak jelentések arról, hogy elektromos aktivitásukban kiugrások tapasztalhatók, ami más állatoknál a neuronok jellemzői.

Ismét úgy tűnik, hogy ezek a klaszterek közelebbi rokonságban állnak velünk, mint a fésűs zselék, amelyek ideghálózatokat és izomsejteket tartalmaznak.

Ennek két lehetséges magyarázata van, és jelenleg lehetetlen megkülönböztetni őket egymástól. Az első, hogy a szivacsok és a placozoák őseinek is voltak izmai és idegsejtjei, de az evolúció során ezeket elvesztették, ami radikálisan megkönnyítette testük terveit több száz millió év alatt. Ez ellentétes azzal, ahogy a legtöbb ember azt várná, hogy az evolúció működjön, de rengeteg olyan organizmus van, amely az egyszerűsített testtervekkel virágzott (sokuk parazita). A szivacsok az általuk elfoglalt résben fejlődtek. Lehet, hogy a placozoánok is virágoznak, de kicsik és könnyen figyelmen kívül hagyhatóak, így erről nincs pontos ismeretenk.

Az alternatíva az, hogy az izmok és az idegsejtek kétszer fejlődtek. Ez lehetetlennek tűnhet, de van néhány dolog, ami ebbe az irányba mutat. Az egyik az, hogy úgy tűnik, jelentős különbségek vannak a fésűs zselék, valamint a jobb és bal oldali állatok idegsejtjei és izmai között. A placozoánok, mint fentebb említettük, neuronszerű viselkedést mutatnak, még akkor is, ha hiányoznak bennük neuronok. Az idegsejtek működéséhez szükséges fehérjevegyületek közül sokat szivacsok állítanak elő. Így előfordulhat, hogy ezeknek az állatoknak az ősei rendelkeztek olyan darabokkal, amelyek lehetővé tették, hogy a neuronok kevesebb változással fejlődjenek, mint amennyire egyébként szükség lenne.

E lehetőségek megkülönböztetése komoly kihívást jelentene, és nem valószínű, hogy pusztán több genomszekvencia összegyűjtése adna választ. Ehelyett talán el kell kezdenünk a fésűs zselék laboratóriumi tenyésztésével foglalkozni, hogy közelebbről is megismerhessük a neuronokat és az izmokat.

Természet, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05936-6 (a DOI-król).