Badania pokazują, że rozgwiazdy to tak naprawdę „głowy pełzające po dnie morskim”

(CNN) — Głowy większości zwierząt są łatwo rozpoznawalne, ale jak dotąd naukowcom nie udało się powiedzieć tego samego o rozgwiazdach.

Rozgwiazda ma pięć identycznych ramion, pod którymi znajduje się warstwa „rurowych stóp”, które pomagają stworzeniu morskiemu poruszać się po dnie morskim. Doprowadziło to przyrodników do zastanowienia się, czy rozgwiazdy mają określony przód i tył oraz czy mają głowę.

Jednak nowe badania genetyczne sugerują coś wręcz przeciwnego: rozgwiazdy to głównie głowy, pozbawione tułowia i ogona, które prawdopodobnie z biegiem czasu utraciły te cechy ewolucyjnie. Naukowcy twierdzą, że według nowych odkryć dziwne skamieliny przodków rozgwiazd, które wydają się mieć jakiś pień, mają bardziej ewolucyjny sens.

Wyniki opublikowano w środę w czasopiśmie Natura.

„To tak, jakby rozgwiazda straciła całą trąbkę i najlepiej opisać ją jako zwykłą głowę wlokącą się po dnie morskim” – stwierdził w oświadczeniu Laurent Formery, główny autor badania i stażysta podoktorski na Uniwersytecie Massachusetts. i Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley. „Wcale nie tak zakładali naukowcy w odniesieniu do tych zwierząt”.

Odkrycia te, możliwe dzięki nowym metodom sekwencjonowania genetycznego, mogą pomóc w odpowiedzi na niektóre z kluczowych pytań, które wciąż pozostają otwarte na temat szkarłupni, w tym na temat ich wspólnego przodka z ludźmi i innymi zwierzętami, które w niczym nie są do nich podobne.

Budowa ciała jest wyjątkowa

Rozgwiazdy należą do grupy szkarłupni, do której zaliczają się jeżowce, dolary piaskowe (lub ciastka morskie) i ogórki morskie. Te niezwykłe zwierzęta mają jedno ciało, ułożone w pięciu równych częściach, co znacznie różni się od symetrycznych ciał zwierząt dwustronnych, których prawa i lewa strona są w sobie odzwierciedlone.

Rozgwiazdy zaczynają od zapłodnionych jaj, z których wykluwają się larwy, które unoszą się w oceanie niczym plankton przez tygodnie lub miesiące, zanim osiądą na dnie morskim. Tam przechodzą proces przekształcania ciała podwójnego w ciało w kształcie gwiazdy lub pięciokąta.

„To była tajemnica zoologii od wieków” – stwierdził w oświadczeniu Christopher Lowe, współautor badania oraz biolog morski i rozwojowy na Uniwersytecie Stanforda. „Jak przejść od dwustronnego planu ciała do pięciostronnego planu ciała i jak dowolna część rozgwiazdy wypada w porównaniu ze strukturą ciała?”

Dwustronna struktura ciała większości zwierząt wynika z działań genetycznych na poziomie molekularnym, które można prześledzić wstecz do głowy i tułowia lub głównych obszarów ciała, dlatego kręgowce, takie jak ludzie, i wiele bezkręgowców, w tym owady, mają podobne zaprogramowanie genetyczne . Odkrycie to zostało nagrodzone Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny W 1995.

Jednak szkarłupnie mają również wspólnego przodka ze zwierzętami dwustronnymi, co zwiększa zagadkę, którą badacze próbują rozwiązać.

„To, jak różne części ciała szkarłupni odnoszą się do tych, które widzimy u innych grup zwierząt, pozostaje dla naukowców tajemnicą od czasu, gdy je badaliśmy” – powiedział dr Geoff Thompson, współautor badania i profesor na Uniwersytecie w Southampton. „U ich dwustronnych krewnych ciało jest podzielone na głowę, tułów i ogon. Jednak samo spojrzenie na rozgwiazdę nie pozwala zobaczyć, jak te podziały odnoszą się do ciał zwierząt dwustronnych”.

Złamanie kodu szkarłupni

W nowym badaniu naukowcy wykorzystali tomografię komputerową, aby uzyskać bezprecedensowy trójwymiarowy obraz kształtu i struktury rozgwiazdy.

Następnie członkowie zespołu wykorzystali zaawansowane techniki analityczne, aby odkryć, gdzie w tkankach dochodzi do ekspresji genów i zidentyfikować określone sekwencje RNA w komórkach. Ekspresja genów ma miejsce, gdy informacja w genie staje się aktywna.

Specyficzne markery molekularne działają jak plany organizmu, kierując każdą komórkę do obszaru ciała, do którego należy.

„Jeśli zdejmiesz skórę ze zwierzęcia i spojrzysz na geny definiujące czubek ogona, zauważysz, że te same geny kodują te obszary ciała u wszystkich grup zwierząt” – wyjaśnia Lowe. „Więc ignorujemy anatomię i pytamy: czy pod całą tą dziwną anatomią kryje się oś molekularna i jaka jest jej rola w tworzeniu pięciokątnej struktury ciała gwiazdy morskiej?”

Tutaj pokazano układ nerwowy rozgwiazdy podczas analizy. (Źródło: Laurent Foreri)

Łącznie dane pozwoliły stworzyć trójwymiarową mapę, aby określić, gdzie geny ulegają ekspresji podczas rozwoju i wzrostu gwiazd morskich. Zespołowi udało się zidentyfikować geny kontrolujące rozwój ektodermy rozgwiazdy, która obejmuje skórę i układ nerwowy.

Sygnatury genów powiązane ze wzrostem głowy wykryto we wszystkich gwiazdach morskich, szczególnie skoncentrowanych w centrum gwiazdy i w środku każdej kończyny. Jednakże ekspresja genów w segmentach tułowia i ogona była w dużej mierze nieobecna, co ujawniło, że rozgwiazda „reprezentuje najbardziej dramatyczny przykład oddzielenia obszarów głowy i tułowia, jaki znamy dzisiaj”. Zuckerberg BioHub, organizacja badawcza non-profit z siedzibą w San Francisco.

Badania sfinansował Chan Zuckerberg BioHub, którego współzałożycielami w 2021 r. byli dr Priscilla Chan i Mark Zuckerberg, a także NASA, National Science Foundation i Leverhulme Fund.

Naukowcy zabarwili materiał genetyczny rozgwiazdy markerami fluorescencyjnymi, co umożliwiło im mapowanie zachowania genów tych zwierząt. (Źródło: Laurent Foreri)

„Kiedy porównaliśmy ekspresję genów rozgwiazdy z ekspresją genów u innych grup zwierząt, takich jak kręgowce, okazało się, że brakuje ważnej części ich budowy ciała” – wyjaśnił Thompson. „Geny zwykle biorące udział w tworzeniu tułowia zwierzęcia nie ulegają ekspresji w ektodermie. Cała budowa ciała szkarłupni wydaje się mniej więcej równoważna budowie głowy u innych grup zwierząt”.

Rozgwiazdy i inne szkarłupnie prawdopodobnie rozwinęły swoją unikalną budowę ciała, gdy ich przodkowie stracili obszar tułowia, który umożliwiał im poruszanie się i odżywianie inaczej niż inne zwierzęta.

„Nasze badania mówią nam, że struktura ciała szkarłupni ewoluowała w bardziej złożony sposób, niż wcześniej sądzono, i że wciąż jest wiele do odkrycia na temat tych interesujących stworzeń” – powiedział Thompson. „Jako osoba, która badała te zwierzęta przez ostatnie 10 lat, odkrycia te radykalnie zmieniły sposób, w jaki myślę o tej grupie zwierząt”.

Nowe wyniki

Badania na zwierzętach koncentrują się przede wszystkim na tych, które są podobne do ludzi. Jednak badanie grup takich jak szkarłupnie mogłoby rozwiązać niektóre z najbardziej złożonych tajemnic ewolucji życia na Ziemi.

„Większość zwierząt nie ma niesamowitego układu nerwowego i wyrusza w pogoń za swoją ofiarą: są to pokorne zwierzęta, które żyją w norach w oceanie. Ludzi na ogół nie pociągają te zwierzęta, ale prawdopodobnie reprezentują one początek większości życia” – mówi Lowe .

Zrozumienie ewolucji zwierząt takich jak rozgwiazdy może również zapewnić wgląd w różne sposoby utrzymania zdrowia przez różne gatunki.

„Z pewnością trudniej jest pracować z organizmami, które są rzadziej badane” – mówi Daniel Rukhsar, współautor badania, profesor genetyki, genomiki, ewolucji i rozwoju na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley oraz badacz w Chan Zuckerberg BioHub. Powiedział w oświadczeniu:

„Ale jeśli wykorzystamy okazję do zbadania niezwykłych zwierząt, które działają w nietypowy sposób, oznacza to, że poszerzymy nasze spojrzenie na biologię, co ostatecznie pomoże nam rozwiązać problemy środowiskowe i biomedyczne”.