Последнее исследование дало ученым сильные аргументы в пользу того, что нервные клетки гребневиков (Ctenophora) происходят от тех же предков, что и нервные системы всех остальных типов животных, и поколебало выдвинутую несколько лет назад гипотезу о независимом возникновении нервной системы гребневиков.
Гребневики представляют собой особый тип животных. Это полупрозрачные, студенистые существа длиной от нескольких миллиметров до полутора метров, плавающие в морских водах. Внешне они отчасти напоминают медуз. Как и у медуз, значительная часть внутреннего объема тела гребневика состоит из мезоглеи, желеобразной ткани, играющий роль упругого скелета. На одном конце округлого тела располагается рот. На поверхности тела имеется восемь рядов пластинок (гребней), состоящих из слившихся ресничек. Пластинки бьют по воде, позволяя гребневику двигаться ротовым концом вперед. У большинства гребневиков имеются также пара щупалец, предназначенных для ловли добычи.
Современные систематики считают гребневиков «сестринским таксоном» по отношению ко всем остальным типам животных, то есть гребневики раньше всех отделились от общего предка животных.
У гребневиков имеется нервная система, состоящая из сети нервных клеток, нервного кольца вокруг рта и аборального органа – скопления клеток, отвечающего за интенсивность и синхронизацию работы гребных пластинок и играющего роль органа равновесия.
В 2013 году ученые проанализировали секвенированный геном гребневика Pleurobrachia bachei и обнаружили, что у него нет многих генов, активных в нервной системе большинства животных. Так, у гребневиков имелось только четыре типа Hox-генов, контролирующих развитие разных систем организма путем включения и выключения других генов. Тогда как, например, у млекопитающих имеется 48 типов таких генов.
Pleurobrachia bachei. Фото: Marine Genomics/Flickr
Не оказалось у гребневиков и гена важного нейротрансмиттера серотонина. Это открытие привело исследователей к предположению, что гребневики обзавелись нервной системой независимо от всех других животных. Но многих удивляло, как столь сложный объект, как нервные клетки, мог возникнуть дважды.
Теперь в новом исследовании приводятся аргументы в пользу того, что первые нервные клетки появились все-таки еще у общего предка гребневиков и остальных животных. И предшественники этих нервных клеток были секреторными клетками, главной функцией которых было выделение химических веществ во внешнюю среду. Подобные клетки (их называют коллобластами) имеются у гребневиков и играют важную роль в их жизни.
Коллобласты покрывают поверхность щупалец гребневика. Под микроскопом эти клетки напоминают ягоду малины – на внешней поверхности находится скопление гранул с клейким веществом. Внутри эта "малина" закреплена в мезоглее при помощи спиральной нити. Когда добыча приклеится к коллобласту, скопление гранул легко отрывается от поверхности, но спиральная нить прочно удерживает ее и за счет своей эластичности смягчает рывки пойманного животного. Затем гребневик подтягивает щупальца ко рту и поедает добычу.
Специалист по вычислительной эволюционной биологии Джозеф Райан (Joseph Ryan) из Лаборатории морской биологии Уитни Университета Флориды и его сотрудница Лесли Бабонис (Leslie Babonis) изучали коллобласты, прослеживая развитие отдельных клеток в зародышах гребневиков и анализируя активность генов каждой клетки. Бабонис обнаружида, что коллобласты возникают из тех же клеток-предшественников, что и нервные клетки животного. Эти неожиданные результаты были опубликованы в конце августа 2018 года в журнале Molecular Biology and Evolution.
Теперь же на ежегодной конференции Общества интегративной и сравнительной биологии (SICB) Джозеф Райан и его сотрудники изложили общую концепцию происхождения нервной системы гребневиков и стрекающих (медуз и полипов). Они указали, что еще 25 лет назад было обнаружено, что стрекательные клетки медуз, представляющие собой другую разновидность секреторных клеток, происходят из тех же эмбриональных предшественников, что и нервные клетки. Аналогичные доказательства Райан привел для гидры и для плодовой мушки. Общее происхождение нервных и секреторных клеток кажется исследователям вполне вероятным. «Относительно простое перепрограммирование стволовых клеток в ходе развития может привести к появлению совершенно новых типов клеток и тканей, и нервная система, вероятно, служит еще одним примером этого», – комментирует результат исследования нейробиолог Тимоти Джегла (Timothy Jegla) из Университета штата Пенсильвания.
Сам Тимоти Джегла совместно с группой коллег также нашел аргументы в пользу раннего возникновения нервной системы, исследовав эволюцию калиевых каналов – белков, играющих важную роль в нервной системе животных. Они обнаружили, что все белки калиевых каналов имелись у общих предков стрекающих и других животных, за исключением гребневиков, но один белок, получивший название Shaker, возник уже у гребневиков. Из этого ученые сделали вывод, что у общего предка гребневиков, стрекающих и двусторонне-симметричных были зачаточные формы нервной системы. В дальнейшем развитие нервных систем у гребневиков и у всех остальных пошло разными путями, и уже после эволюционного расставания с гребневиками общие предки стрекающих и двусторонне-симметричных обзавелись всем спектром калиевых каналов. Подробнее об этом исследовании можно прочитать в отдельном очерке.
Теперь Райан, Бабонис и их коллега нейрофизиолог Юрий Бобков (Yuriy Bobkov) планируют определить, как клетки-предшественники превращаются в нейроны. Для этого они намерены изучить примитивный сенсорный орган гребневика Mnemiopsis leidyi. У этого животного имеются скопления из примерно 500 нейронов и мышечных клеток, реагирующие на свет, запах рыбы и механические раздражители. При удалении этих органов они регенерируют, что дает возможность отслеживать генную активность по мере деления и специализации клеток. Райан надеется, что он и его коллеги сумеют установить, какие гены управляют формированием нервных клеток, и это поможет ответить на сложные вопросы об общей эволюции нервной системы животных.
