Группа ученых из США проследила эволюцию калиевых каналов – важных элементов нервной системы, и сделала вывод, что многие из них появились уже почти в современном виде около 600 миллионов лет назад, у общего предка почти всех современных видов животных, кроме самых примитивных.
Среди живущих и здравствующих на сегодняшний день типов животных в связи с крайней примитивностью нервная система отсутствует у губок и пластинчатых. Одним из первых от общего эволюционного ствола отделились гребневики. Гребневики в значительной степени представляют загадку для ученых, даже несмотря на то, что их геном некоторое время назад был прочитан. Существует теория, что гребневики – наиболее архаичные животные из дошедших до нас.
Особое внимание ученых привлекает нервная система гребневиков и их мышечные клетки. Оба эти типа ткани работают за счет проведения электрических импульсов. Почему это важно – станет понятно в дальнейшем. У гребневиков и то, и то есть, но имеет минимальное сходство с нервной системой и мышечной тканью всех остальных видов. Это заставляет задуматься, не развивалась ли нервная система независимо дважды.
После гребневиков отделились стрекающие. В этот тип входят медузы, гидры, актинии и т.д. Они, как правило, обладают радиальной симметрией и стрекательными клетками. Стрекательные клетки могут стрелять во врагов капсулами с ядом и служат для обороны и охоты. Этим типам противопоставляется таксон Bilateralia (двусторонне-симметричные), к которому относятся все остальные, более развитые животные, даже если двусторонней симметрией они обладают только на некоторых жизненных этапах.
Общие черты в строении нервной системы как раз и были обнаружены у двусторонне-симметричных и стрекающих. В основе работы нервной системы лежит движение вдоль отростков нервной клетки потенциала действия.
У нейрона, как у любой клетки, есть клеточная мембрана. В состоянии покоя существует разность потенциалов между внутренним пространством клетки и пространством снаружи. Внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней. Эта разность потенциалов достигается за счет скопления внутри положительно заряженных ионов калия и отрицательно заряженных белков, а снаружи – положительных ионов кальция, натрия и отрицательных ионов хлора. В определенный момент одна клетка передает соседней сигнал через синапс. Для этого она выбрасывает в пространство между клетками вещество – нейромедиатор. Это вещество взаимодействует с рецепторами на поверхности принимающей клетки. Затем клетка должна передать «эстафету», то есть сигнал, дальше. Для этого он должен пройти вдоль самого нейрона, его отростков и там вызвать высвобождение нейромедиатора уже в следующее межклеточное пространство. Отростки эти бывают довольно длинными (в некоторых случаях – даже несколько метров).
Сигнал передается вдоль клетки в виде волны реполяризации мембраны. В этом процессе активно участвуют ионные каналы. Ионные каналы – это белки, сквозь которые при определенных условиях через клеточную мембрану могут проникать заряженные молекулы. В распространении потенциала действия играют роль потенциалзависимые ионные каналы. Когда сигнал от соседней клетки передается, он слегка меняет разность потенциалов на мембране. Этого изменения достаточно, чтобы открыть натриевые каналы, сквозь которые положительно заряженные ионы натрия устремляются внутрь: по градиенту концентрации и из-за отрицательного заряда внутри. Перемещение ионов натрия приводит к тому, что вот уже снаружи на мембране отрицательный заряд, а внутри – положительный. После этого запускаются обратные процессы, и через какое-то время потенциал покоя восстанавливается. Именно в этих обратных процессах принимают участие потенциалзависимые калиевые каналы, ставшие предметом изучения авторов работы.
Распространение потенциала действия по аксону
В нервных клетках человека представлены несколько семейств калиевых каналов. У них различные, хотя и частично пересекающиеся, функции и ниши. Авторы работы изучили эволюционную историю некоторых групп каналов и пришли к выводу, что все изученные группы кроме одной появились у общего предка стрекающих и двусторонне-симметричных, но отсутствовали у общих предков двух этих таксонов и гребневиков.
И только один из белков, входящий в состав калиевого канала, оказался общим и для гребневиков тоже. Этот белок и кодирующий его ген называются Shaker (от английского глагола to shake – трясти). Название белок получил за то, что мушки дрозофилы с мутацией в этом гене под действием эфирного наркоза хаотически шевелились, хотя должны были быть неподвижными.
Оказалось, что соответствующий белок гребневика даже может работать в клетках шпорцевых лягушек вместо их собственного белка, то есть изменился несильно.
На основании этих результатов можно сделать вывод, что у общего предка гребневиков, стрекающих и двусторонне-симметричных, были только очень зачаточные формы нервной системы, но все же они имелись. В дальнейшем развитие нервных систем у гребневиков и у всех остальных пошло по разным путям, и уже после эволюционного расставания с гребневиками общие предки стрекающих и двусторонне-симметричных обзавелись всем спектром потенциалзависимых калиевых каналов.
