Эволюция 2.0. Как появилось животное, не похожее ни на кого?

Происхождение нейронов и нервной системы до сих пор остается одним из самых интересных вопросов эволюции. До недавнего времени считалось, что первыми животными были губки – от них произошли все более сложные организмы, включая человека. Но, как пишет на Aeon научный журналист Дуглас Фокс, в последние годы эта точка зрения пересматривается: ученые обнаружили животных, которые водятся по всему Мировому океану и, судя по всему, развили достаточно сложную нервную систему в обход традиционной эволюционной ветви. Это стало настолько неожиданной новостью для науки, что некоторые исследователи сравнивают «альтернативную» систему с инопланетной и гадают: сколько еще вариантов эволюции может существовать?

Гребневиков долгое время считали видом медуз – они действительно внешне похожи. У них есть скользкое прозрачное продолговатое или сферическое тело, мышцы и нервная система, не превратившаяся в полноценный мозг. Ранние исследования не опровергали это мнение – в микроскопах XIX века, когда ученые впервые начали изучать нервную систему гребневиков, организм животного выглядел совершенно обыкновенно.

Из-за сходства с медузами еще в XX веке в учебниках биологии этих животных изображали вверх тормашками, то есть так, что ротовое отверстие было снизу, как у медузы, хотя на самом деле гребневик дрейфует ртом кверху, совершенно иначе передвигается (с помощью «гребней» из тысяч ресничек, а не сокращения всего тела) и по-другому охотится (использует не жалящие, а клейкие щупальца). В 1960-х годах благодаря электронным микроскопам ученые обнаружили у гребневиков нечто похожее на синапс между нейронами и пузырьки, которые должны выпускать нейротрансмиттеры и стимулировать соседние клетки. Когда исследователи ввели животным кальций, они увидели электрические импульсы – такие же, как у крыс, червей, улиток и всех прочих зверей. Стимулируя определенные нервы, можно было заставить реснички двигаться так или иначе – например, плыть задом наперед. Словом, гребневики выглядели и вели себя так, как любое нормальное животное.

Поэтому биологи предположили, что ?они и есть нормальные животные. Эта точка ?зрения ?вписывалась в общее представление об эволюции. Гребневиков расположили ?на эволюционном древе рядом с книдариями, или стрекающими – типу, ?к которым относятся медузы и кораллы. Под книдариями в эволюционной цепи находятся ?более примитивные животные, лишенные нервной системы: морские губки и пластинчатые, которых долгое время вообще относили к растениям. Таким образом, подтверждалась идея, что нервная система развивалась поэтапно, от простого к сложному.

Эта точка зрения подкреплялась тем, что какое животное ни возьми – будь то насекомое или человек, – нервные клетки и образованные ими сети у них похожи, в результате чего схожи механизмы формирования пространственной памяти, способности к навигации, поведение. Именно поэтому биологи могут проецировать результаты экспериментов с мышами на людей. Получалось, что эволюция была одной большой универсальной историей, в которой разные твари развивались по похожему сценарию.

Но в 1995 году выходец из России нейробиолог Леонид Мороз, переехавший в США, заподозрил, что все эти представления неверны. Он начал подробнее исследовать нервы гребневиков и попытался рассмотреть, как в них работают нейротрансмиттеры – химические вещества, благодаря которым передаются нервные импульсы. Мороз нанес на срезы нервной ткани животных специальные красители, которые подсвечивают разные виды соединений-нейромедиаторов: дофамин, серотонин и диоксид азота. Однако там, где должны были появиться желтые, красные или зеленые пятна, не произошло ничего. Из этого следовал странный вывод: перед ученым находились животные, у которых не было нейротрансмиттеров, распространенных во всем животном царстве. Так родилось предположение, что гребневики не просто не родственники медуз – их нервная система не имела общего вообще ни с одним известным животным. Судя по всему, гребневики каким-то образом прошли альтернативным эволюционным путем.

В силу ряда причин Мороз вернулся к вопросу о гребневиках только 12 лет спустя, когда наука значительно продвинулась в секвенировании ДНК, а сам он стал главой собственной лаборатории в Университете Флориды. В 2007 году биолог секвенировал часть генома гребневика и получил поразительные результаты. Выяснилось, например, что род гребневиков Pleurobrachia не имеет генов и энзимов, которые у остальных животных участвуют в создании нейромедиаторов, – не только серотонина или дофамина, но и многих других. Не было у них и генов, отвечающих за рецепторы, с помощью которых нейрон «узнает» нейромедиатор и отвечает на его сигнал. Впоследствии Мороз с коллегами нашли и другие гены и белки, отсутствующие у Pleurobrachia и необходимые всем прочим для создания работающей нервной системы. Единственным нейромедиатором, важным для гребневиков не меньше, чем для позвоночных, оказался глутамат (соль глутаминовой кислоты).

Так стало понятно, что «родственники медуз» не использует механизмы, которые действуют у всех остальных – от червей до людей. И все же у них есть нервная система, которая вполне справляется со своими функциями. Это означало, что гребневики развились в сложных существ благодаря собственному, особому набору генов и молекул, не похожему ни на чей еще. «Тут было не просто присутствие или отсутствие нескольких генов, – говорит ученый. – Иной была вся конструкция». Это классическое понимание конвергенции: линия гребневиков развила нервную систему, используя те материалы, что были «под рукой». В каком-то смысле, пишет Фокс, это «инопланетная» система – она эволюционировала отдельно от животного царства.

Дальше было еще интереснее: выяснилось, что особые у гребневиков не только нервы. Набор генов, вовлеченных в развитие и работу мышц, тоже оказался совершенно необычным: например, не было групп генов микроРНК, которые считаются универсальным, жизненно необходимым и очень древним компонентом клеточного организма. Отсутствовали Hox-гены (гомеозисные), кодирующие формирование разных органов и тканей, а ведь они есть даже у более примитивных пластинчатых. Все это приводило к удивительному заключению: гребневики сумели создать себе нервную систему и мускулы, как у медуз, червей или моллюсков, но сделали это за счет альтернативного набора генов.

Параллельно другие ученые начали сомневаться в том, что мы до конца правильно понимаем структуру древа жизни животного мира. В 2008 году статья американских биологов в журнале Nature впервые поставила вопрос, что гребневики могут оказаться более ранней ветвью, чем губки. В 2013 году другая команда исследователей секвенировала геном одного из видов гребневиков, Mnemiopsis leidyi, и выступила с похожей идеей: что, если именно эти животные стоят ближе всего к истоку эволюции, несмотря на то что имеют более сложное строение, чем другие? Эти работы внесли смуту в научное сообщество.

Мороз тем временем продолжал убеждаться в том, что гребневики не просто возникли раньше других, более простых организмов, а вдобавок изобрели уникальную нервную систему. Команда биолога (три десятка студентов его лаборатории) полностью секвенировала и подробно изучила геном Pleurobrachia, чтобы понять, как работают нервные клетки и как они меняются по мере развития. В 2014 году он опубликовал итоги своей семилетней работы, показав, что нервная система гребневиков эволюционировала сама по себе, отдельно от других животных. Это было все равно что обнаружить на Земле представителя инопланетной жизни.

С точки зрения Мороза и его коллег, это открытие приводит к новой эволюционной теории. Возможно, у самых ранних животных не было нервной системы, и информация об окружающем мире передавалась от рецепторов напрямую соседним клеткам. Миллионы лет спустя эти рецепторы стали строительным материалом для нервной системы, но развитие пошло по разным путям – один привел к медузам и в конце концов человеку, а второй к гребневикам. Это разделение должно было случиться 550 млн лет назад – таков возраст ископаемых животных, похожих на современных гребневиков. Как именно это произошло, мы не знаем до сих пор.

По мнению Мороза, существуют как минимум 9–12 типов нервных систем, которые развивались эволюционно независимо друг от друга – по одной у гребневиков и книдарий, три у иглокожих (к ним относятся морские звезды, морские ежи и др.), по одной у членистоногих, моллюсков и позвоночных. В каждой из этих ветвей результат дали разные наборы генов, белков и молекул. «Существует больше одного способа создать нейрон и больше одного способа создать мозг», – утверждает ученый.

Научное сообщество до сих пор не определилось с тем, в какое место эволюционного древа животных следует поместить гребневиков, как именно у них появилась нервная система и когда это произошло. Но на основании нового понимания – что жизнь на нашей планете могла развиваться более чем одним способом, – можно прийти к интересной и немного философской идее, рассуждает Фокс. Гребневики жили рядом с нами миллионы лет, но еще недавно наука не понимала, насколько они отличаются от прочих организмов. Что, если жизнь на Земле уже возникла не однажды, просто мы об этом не знаем? Те животные, которых мы видим вокруг себя, доминируют, но что, если есть «теневая биосфера», которую нам трудно распознать, потому что в ней может не быть ДНК, белков или тех молекул, к которым мы привыкли? И мог ли интеллект появиться более одного раза?

Источник: m.vk.com

Комментарии: