>

Забагато способів формування нервових систем

Нервова система живих організмів розвивається під суворим контролем біологічних молекул. Останнє дослідження вказує на те, що цей спосіб управління виникав у тваринному світі неодноразово.

Тварини розумні й тварини не дуже

Нервові системи тварин дуже різноманітні. Вони можуть складатися з кількох клітин-нейронів, а можуть формувати складні багатофункціональні мізки. Від маленької гідри з невпорядковано розкиданими чутливими клітинами до розумного читача цієї статті – величезна прірва еволюційних подій. Але є одне цікаве питання. Складні централізовані нервові системи мають спільне походження чи неодноразово виникали у різних гілках родинного дерева тварин?

Результат пошуку зображень за запитом "animal nervous system"
Нервова система гідри. Недосконала, але красива. Джерело: Stefan Siebert and Charles David

На перший погляд, що комахи, що хребетні можуть похвалитися мозком, з’єднаним з одним нервовим тяжем, який розташовується уздовж всього тіла. Крім того, дані молекулярних досліджень показують, що основні регулюючі гени працюють аналогічно під час розвитку нервової системи у хребетних, членистоногих та навіть кільчастих червів  [Corlen, Ohlen, 2000]

Отже, без варіантів нервова система має єдиний план розвитку у всіх двобічно-симетричних організмів? Якби не так! 4 січня Мартін-Дуран та його колеги [Martin-Duran, 2018] надали докази незалежної еволюції таких нервових систем.

Двобічно-симетри́чні, або Білатеральні (Bilateria) — група тварин, до якої відносять всі організми, які мають двобічну симетрію. У них всіх ліва сторона тіла дзеркальним чином відповідає правій.

У всьому винні гени

Більш ніж століття вчені ламають списи об наріжний камінь питання “Які еволюційні кроки дозволили сітці нейронів стати централізованою нервовою системою?”.

У середині 1980-х років дослідження отримали нове дихання завдяки виявленню великої родини генів, які кодують фактори, що визначають розвиток нервової системи.

Гомеобокс (Homeobox) – послідовність ДНК, яка виявлена ​​в генах, які відповідають за регуляцію розвитку тварин, грибів і рослин. Ці гени працюють як перемикачі для інших генів. Гомеобокс складається приблизно з 180 пар нуклеотидів і кодує білковий домен довжиною в 60 амінокислот (гомеодомен), який може зв’язувати ДНК.

Гени, які містять гомеобокс, утворюють окрему родину. Найбільш вивченими і найбільш консервативними з них є Hox-гени, які контролюють сегментацію тіла під час розвитку. Виявилося, що представники цих генів, включаючи комплекс Hox, спрацьовують аналогічно у дрозофіл та хребетних тварин.

Проте останні досягнення молекулярної філогенії змінили наш погляд на еволюцію тварин.

Молекулярна філогенетика або молекулярна систематика, молекулярна філогенія, “молекулярка” — галузь філогенетики (та, у свою чергу, систематики), що використовує методи молекулярної біології. Для класифікації організмів розшифровують структуру ДНКРНК і білків.

У 2016 році було показано, що малі червоподібні двосторонньо- симетричні істоти з типу Xenacoelomorpha є сестринською групою до клади Nephrozoa. 

Nephrozoa – клада, яка виділяється на основі генетичного аналізу, об’єднує в себе всіх вторинно- і первинноротих тварин. Тобто нас теж 🙂

Через те, що ксенакоеломорфи є найближчими живими родичами нефрозоїв, порівняння між цими двома групами можуть допомогти дослідникам знайти ознаки, які є в останнього спільного предка та всіх його численних нащадків.

Еволюція нервових систем тварин. Білатеральні (тварини, що володіють двостороньою симетрією) складаються з нефрозоїв та сестринської групи, ксенакоеломорфів. У багатьох нефрозоїв та ксенакоеломорфів є централізовані нервові системи, на відміну від їх найближчих родичів, кнідарій, що мають просту нервову сітку. Набір генів з гомеобоксом (позначений зірочкою), що контролюють повздовжнє розростання нервового стовбура, представлений у хребетних, комах і кільчастих червів. Було встановлено, що це еволюційна консервативна ознака, яка керує розвитком нервової системи, й успадкована або від спільного предка усіх двосиметричних тварин (блакитний круг), або від спільного предка нефрозоїв (фіолетовий круг). Проте, Мартін-Дуран та ін. не знайшли таких генів з гомеобоксом у дев’яти груп двобічносиметричних тварин – п’яти клад спіралій та чотирьох ксенакоеломорфів (обведені червоними рамками). Всі ці дані вказують на те, що розвиток та морфологічні подібності між централізованими нервовими системами двобічносиметричних істот є результатом незалежних еволюційних подій, які відбувалися паралельно. Джерело: Nature

Що ці ксенакоеломорфи собі дозволяють?

Ксенакоеломорфи мають різні типи будови нервової системи. Деякі з них є щасливими володарями лише ланцюжка нейронів, як і найближчі родичі серед двобічно-симетричних істот Кнідарії – медузи та морські анемони. Інші хизуються одним або декількома нервовими тяжами, що тягнуться або вздовж, або впоперек тіла.

Proporus sp.png
Наш далекий-далекий родич Proporus sp. Джерело: Marco Curini-Galletti та ін.

Мартін-Дуран та його колеги досліджували експресію генів у чотирьох групах ксенакоеломорфів. Вони виявили, що, хоча експресія ряду генів з гомеобоксами у цих тварин спостерігається, але  гени, що б відповідали за розростання нервового тяжу у повздожньому напрямку, його повністю позбавлені.

Нервові системи не такі схожі як ми думаємо

Мартін-Дуран та ін. далі взялися за малодосліджену групу спіралій. До цих тварин належать кільчасті та пласкі черви, а також молюски.  У більшості груп генів з гомеобоксами не виявлено. Окрім того, навіть у близькоспоріднених відділів з подібним планом будови нервової системи механізми регуляції її розвитку кардинально різняться.

У попередніх дослідженнях напівхордових та пласких червів також не було виявлено експресії генів з гомеобоксом для повздовжнього розростання нервового тяжу.  Цю відсутність інтепретували як вторинну втрату. Але, враховуючи дані Мартіна-Дурана та колег, це зовсім не так.

Скоріш за все, що “типова” система регуляції розвитку нервової системи не була представлена в останнього спільного предка усієї групи двобічно-симетричних та нефрозоїв. Швидше за все, вони розвивалися окремо у кожній групі.

(Nature, 2018)

doi:10.1038/nature25030

 

-->