Co wypadające dyski mówią nam o 700 milionach lat ewolucji
Carl Zimmer
2014-09-24
Z Zimmer i Emlen, Evolution: Making Sense of Life
Jest jedność życia. Czasami widać ją wyraźnie, ale często czai się za odwracającymi uwagę różnicami. Nowe badanie pokazuje, że istnieje nawet ukryta jedność między naszymi wypadającymi dyskami a mięśniami wijącego się robaka.
Naukowcy nazywają tę jedność “homologią”. Brytyjski anatom, Richard Owen, ukuł to określenie w 1843 r., szesnaście lat zanim Charles Darwin opublikował O powstawaniu gatunków. Owen definiował homologię jako “ten sam narząd u różnych zwierząt z wszelką różnorodnością kształtu i funkcji”. Na przykład, ręka człowieka, płetwa foki i skrzydło nietoperza mają ten sam układ szkieletowy. Składają się z jednej długiej kości, zginającego się stawu, dwóch dodatkowych długich kości, grupy małych kości i zestawu pięciu palców. Rozmiar i kształt każdej kości może być różny, ale wzór jest ten sam, niezależnie od tego, jak ssak używa swoich kończyn – do pływania, latania lub uderzania młotkiem.
Darwin twierdził, że homologia była wynikiem ewolucji. Wspólny przodek ludzi, fok, nietoperzy i innych ssaków miał kończynę, która była rozciągana i zginana w rozmaitych wygibasach. Przez ostatnich 150 lat paleontolodzy znaleźli bogactwo skamieniałości, które pomogły udokumentować, jak maleńkie łapki ssaków mezozoicznych zróżnicowały się w wiele form znajdowanych u dzisiejszych ssaków.
Darwin nie zamierzał jednak ograniczać się do wyjaśniania ewolucji ssaków. Widział pokrewieństwo w całym żywym świecie. Tu jednak sprawy komplikowały się. Anatomowie z czasów Darwina nie mogli znaleźć żadnych wyraźnych odpowiedników dla wielu cech w naszych organizmach u daleko spokrewnionych z nami zwierząt.
Okazuje się, że była tam homologia, ale potrzeba odpowiednich okularów, żeby ją dostrzec.
Niedawno Detlev Arendt, biolog z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej, i jego koledzy badali ewolucję ważnej, ale często pomijanej części naszego organizmu, znanej jako struna grzbietowa. Jest to sztywny pręt zbudowany z tkanki łącznej, który rozwija się w embrionach ludzkich, biegnąc wzdłuż ich pleców. Później, kiedy rozwija się kręgosłup, struna grzbietowa przekształca się w dyski (krążki międzykręgowe) które amortyzują kręgi (a czasami, później w życiu dorosłym, ulegają uszkodzeniu, co powoduje dużo bólu i kłopotów).
Inne ssaki także mają strunę grzbietową w stadium embrionalnym. Tak samo jest z ptakami, gadami, płazami i rybami. Także nasi najbliżsi bezkręgowi krewni, tacy jak lancetniki, mają struny grzbietowe. Wszystkie zwierzęta ze struną grzbietową należą do tej samej grupy znanej jako strunowce.
W odróżnieniu od większości kręgowców lancetniki zatrzymują struny grzbietowe w dorosłości, używając ich do usztywnienia ciała podczas pływania. Wczesne skamieniałości strunowców mają anatomię podobną do lancetnika. Jest więc prawdopodobne, że 550 milionów lat temu struna grzbietowa wyewoluowała najpierw w strunowcach, a szkielet wyewoluował później. U ryb kręgosłup przejął zadanie usztywnienia ciała, ale struna grzbietowa nadal miała inne zadania. W embrionach kręgowców struna grzbietowa uwalnia sygnały chemiczne, które mówią otaczającym ją komórkom, czy mają stać się nerwami, naczyniami krwionośnymi, czy innymi tkankami.
Arendt i jego koledzy zastanawiali się, jak wyewoluowała struna grzbietowa. Kałamarnica nie ma struny grzbietowej. Ani nie mają jej małże, karaluchy lub tarantule. Struna grzbietowa jest unikatowa dla strunowców. Skąd więc się wzięła? Czy pojawiła się wraz ze strunowcami, czy też ma wcześniejsze pochodzenie?
Naukowcy postanowili zabrać się za to pytanie przez spojrzenie na geny komórek struny grzbietowej. U rozwijającego się embriona kręgowca komórki struny grzbietowej włączają unikatową kombinację genów. Naukowcy zastanawiali się, czy ta sygnatura genetyczna struny grzbietowej może ukrywać się u zwierząt, które nie mają struny grzbietowej.
Zaczęli poszukiwania od nereid, żyjących w morzach krewnych lepiej znanych dżdżownic. Te robaki (a ściślej, pierścienice) są prastarą linią rodową, która oddzieliła się od naszych przodków na długo zanim wyewoluowała struna grzbietowa. W ich miękkich ciałach nie ma niczego, co można by pomylić ze struną grzbietową.
Axochord. Kolory odpowiadają aktywności genów wyliczonych powyżej pod ilustracją. Lauri et al, Science 2014
Arendt i jego koledzy dodali składniki chemiczne do larw nereid, żeby komórki świeciły, kiedy używają genów struny grzbietowej. Larwy rozjarzyły się jak choinki.
Komórki używające genów struny grzbietowej tworzyły pas biegnący od głowy do ogona larw nereidy – w zasadzie w tym samym układzie jak nasza struna grzbietowa. Naukowcy odkryli, że kiedy larwy nereidy dorastały, ten pas rozwijał się w długi mięsień.
Robaki potrzebują tego mięśnia – który naukowcy nazwali axochord – do poruszania się. Kiedy naukowcy zniszczyli axochord laserem, nereidy nie potrafiły pływać. Odkrywszy axochord u nereid, Arendt i jego koledzy zaczęli szukać go u innych zwierząt, które nie mają struny grzbietowej. Znaleźli oznaki axochordów w wielu innych bezkręgowców.
Morski robak Platynereis ma mięsień (czerwony), który rozwija się w tym samym miejscu i ma ten sam podpis genetyczny co strona grzbietowa (niebieski), która rozwija się w nasze krążki w kręgosłupie. Z: Kalliopi Monoyios
To badanie ujawnia homologię strun grzbietowych i axochordów, ale pokazuje także coś więcej. Pomaga nam cofnąć się w czasie. Nereidy i ludzie mają wspólnego przodka – razem z innym zwierzętami, które mają mózgi, głowy, ogony oraz wyraźną lewą i prawą stronę. Razem wszystkie te zwierzęta znane są jako zwierzęta dwubocznie symetryczne. Wyłonienie się zwierząt dwubocznie symetrycznych było ogromnym wydarzeniem ewolucyjnym, dając początek niesłychanej różnorodności form zwierzęcych, a także zmianie składu chemicznego oceanów i atmosfery.
Biolodzy ewolucyjni bardzo chcieliby wiedzieć, jak wyglądały pierwsze zwierzęta dwubocznie symetryczne oraz zrozumieć, jak zapoczątkowały one taką różnorodność zwierząt dzisiaj. Jedną z największych niespodzianek w historii biologii było odkrycie, że zwierzęta dwubocznie symetryczne mają wspólną głęboką homologię w genach, które budują ich ciała. Na przykład, oczy muchy i oczy człowieka wyglądają inaczej, ale ta sama sieć genów pomaga budować jedne i drugie. Albo weźmy tył i przód naszych ciał. U nas (i u innych strunowców) główny nerw biegnie z tyłu, a przewód pokarmowy biegnie z przodu. U muchy i u wielu innych zwierząt dwubocznie symetrycznych jest odwrotnie. Ale wszystkie zwierzęta dwubocznie symetryczne używają tych samych genów do rozróżnienia tych dwóch stron.
Te odkrycia pozwoliły naukowcom na stawianie hipotez, jak mogły wyglądać pierwsze zwierzęta dwubocznie symetryczne. Mogły już mieć głowę, ogon, mózg i zmysł oczopodobny. Nowe zaś badanie wskazuje, że mogły mieć prekursora naszej struny grzbietowej. Nasza chrząstkowa struna grzbietowa okazuje się być osobliwą wersją planu ciała zwierząt dwubocznie symetrycznych. Inne takie zwierzęta mają axochord – w zasadzie jest to struna grzbietowa zbudowana z mięśnia. Jest więc możliwe, że 700 milionów lat temu nasi pierwsi dwubocznie symetryczni przodkowie mieli mięśniowy axochord, którego mogli używać do pływania. Potomkowie tych pierwszych zwierząt dwubocznie symetrycznych zróżnicowali się w zwierzęta o wielu różnych kształtach. Arendt i jego koledzy twierdzą, że w kilku liniach rodowych axochord przekształcił się w struktury, które dzisiaj wyglądają zupełnie inaczej. Należymy do jednej z tych linii.
Nowe badanie sugeruje, że sygnały, jakie otrzymują komórki naszych strun grzbietowych zmieniły się nieco, przechodząc od mięśni do tkanki łącznej. W rzeczywistości jest to łatwiejsze niż może się wydawać, ponieważ embrionalne komórki macierzyste są niewiarygodnie wszechstronne. Dzisiaj możemy padać ofiarą takich anatomicznych nieporozumień. W zeszłym roku napisałem na przykład artykuł dla The Atlantic o rzadkiej chorobie zwanej Fibrodysplasia ossificans progressiva, która zamienia mięśnie w chrząstkę, a te powoli zamieniają się w kość. Ta choroba powstaje z powodu jednej tylko mutacji.
Tylko 1 człowiek na 2 miliony ludzi choruje na FOP. Wypadnięty dysk (dyskopatia) jest czymś znacznie częstszym. Aż jedna trzecia ludzi może odczuwać bóle, kiedy dysk wypucza się w niewłaściwym miejscu. Jesteśmy narażeni na takie dolegliwości, bo struna grzbietowa naszych przodków wyewoluowała w poduszeczki dla kręgosłupa, a potem, dużo później, nasi przodkowie zaczęli chodzić w pozycji wyprostowanej. Jeśli kiedykolwiek znajdziesz się w łóżku, bo zawiodła cię twoja struna grzbietowa, próbuj oderwać umysł od bólu rozważaniami o długiej historii ewolucyjnej, sięgającej ponad pół miliarda lat wstecz i o związkach z robakami wijącymi się w morzach.
Wielokrotnie nagradzany amerykański dziennikarz naukowy publikujący często na łamach „New York Times” „National Geographic” i innych pism. Autor 13 książek, w tym „Parasite Rex” oraz „The Tanglend Bank: An introduction to Evolution”. Prowadzi blog The Loom publikowany przy „National Geographic”.
