Kiedyś, między 360 a 390 milionów lat temu, grupa ryb ruszyła do życia na lądzie. Po drodze ich płetwy stopniowo zamieniły się w podtrzymujące ciężar kończyny z wyraźnymi stawami łokci i przegubów. Płetwy stały się nogami. Pływacy stali się biegaczami.
Niektóre aspekty tego przejścia ewolucyjnego są obecnie jasne. Dzięki
wielu pięknym skamielinom wiemy jak ewoluowały kości tych pionierskich ryb w te, których używam właśnie do stukania w klawiaturę.
Zaczęliśmy nawet odkrywać
zmiany genetyczne, które brały udział w tej
całkowitej przemianie.
Nadal jednak są tam tajemnice. Jak, na przykład, właściciele pierwszych nóg kontrolowali swoje kończyny?
Wyciągnij rękę i zegnij ją w łokciu. Dzieje się tu kilka rzeczy: twój mięsień dwugłowy kurczy się, ale mięsień trójgłowy odpręża. Dzieje się tak z powodu modułów w kręgosłupie – grup neuronów, które koordynują dużą liczbę ruchów, które wykonujemy równocześnie. „Moduł może poruszyć całe ramię zamiast tylko pary mięśni lub koordynować mięśnie w ramieniu i tułowiu” - wyjaśnia Martha Bagnall z Northwestern University.
Te ustalone z góry programy upraszczają zadanie kontrolowania naszych kończyn. Są jak .exe files, które potrafią rozpocząć skomplikowane programy komputerowe przy szybkim podwójnym kliknięciu.
Ryby wydają się nie mieć żadnych oczywistych odpowiedników tych modułów. Zamiast tego mają dużo prostsze obwody neuronowe, które osobno kontrolują lewą i prawą połowę ich ciała. Te obwody odpalają naprzemiennie, a więc mięśnie po jednej stronie ryby kurczą się, podczas gdy te po drugiej stronie odprężają. Powoduje to, że ich ciała falują wzdłuż, przepychając je przez wodę.
Jak przechodzi się od prostego ustawienia lewo-prawo do skomplikowanych modułów, które kontrolują twoje kończyny? „Tego właściwie nie wiemy – mówi Bagnall. – Są analizy, ale to jest mniej lub bardziej bezradne rozkładanie rąk”.
Razem z kolegą, Davidem McLeanem, odkryła ważną wskazówkę i to taką, która jest sprzeczna z podręcznikowym poglądem na pływanie ryb.
Zaczęła od notowania sygnałów, które przychodzą do neuronów ruchowych mięśni ryby o nazwie danio pręgowany i mówią im, by odpaliły. Jeśli podręcznikowy pogląd na pływanie ryby jest poprawny, należałoby oczekiwać, że te sygnały dotrą równocześnie do obu stron płynącego zwierzęcia, aby mięśnie mogły się kurczyć jak zsynchronizowany zespół.
Nie to się jednak zdarzyło. Zamiast tego Bagnall odkryła maleńkie różnice w czasie, w jakim sygnały docierały do górnej i dolnej połowy mięśni ryby – tylko kilka milisekund, niemniej były to różnice.
Na przykład, neurony ruchowe górnej-prawej części ryby otrzymują zsynchronizowany sygnał, jak również te z jej dolnej-prawej części… ale te ćwiartki nie są zsynchronizowane wzajem ze sobą. Co więcej, Bagnall i McLean odkryli, że mięśnie dostają sygnały od różnych zespołów neuronów. Są tam cztery obwody zamiast dwóch.
Przy normalnym pływaniu górne i dolne obwody są niemal nieodróżnialne, ale przydają się, kiedy ryba ma się przewracać. Jeśli danio leży na prawym boku, wysyła silniejsze sygnały do neuronów ruchowych kontrolujących jego ćwiartki dolną-lewą i górną-prawą. Wynikające z tego kurczenie mięśni pomaga rybie przewrócić się.
“Sądzimy, że jest to dobry przykład modularnej organizacji rdzenia kręgowego – mówi Bagnall. – Kontrolują one te cztery ćwiartki mniej lub bardziej odrębnie i to upraszcza ich zadanie powodowania przewracania się i wyprostowywania”.
Sugeruje ona, że te proste moduły mogły być szablonami dla bardziej skomplikowanych, takich, które kontrolują nasze kończyny. Górne obwody mogły wyewoluować do kontrolowania mięśni prostujących, takich jak nasz mięsień trójgłowy, podczas gdy dolne wyewoluowały do kontrolowania zginaczy, takich jak nasze mięśnie dwugłowe. „Na tym etapie jest to tylko hipoteza – mówi Bagnall. – Ponieważ jednak jak dotąd nie było żadnej przekonującej hipotezy, jesteśmy tym dość podnieceni”.
“To jest dobra opowieść i pięknie wyłożona” – mówi Ole Kiehn z Karolinska Institutet, który bada jak neurony produkują ruchy. Zespół musi rozpracować kilka detali, na przykład, jak oddzielne moduły górny i dolny są skoordynowane w rybie, ale ich odkrycie jest samo w sobie ciekawe i ich hipoteza jest solidna.
Martyn Goulding z Salk Institute, który bada obwody w rdzeniu kręgowym, jest ostrożniejszy. „Biorąc pod uwagę wybitną rolę, jaką poruszanie kończynami odegrało w przejściu kręgowców do środowiska lądowego, sprawa jest niesłychanie interesująca – mówi. – Nie jestem jednak pewien, jak modularna organizacja, którą widzą w odniesieniu do kontroli mięśni osiowych, może łatwo przełożyć się na system kontroli zginaczy i mięśni prostujących”.
Na przykład, mówi on, że mięśnie kończyn pochodzą z innej grupy komórek embrionalnych niż mięśnie tułowia i pleców. Istnieje powierzchowna paralela między górną a dolną połową mięśni tułowia, a mięśniami górnymi (prostownik) i dolnymi (zginacz) w płetwie i w kończynie, ale mogą one nie przekładać się dokładnie.
Bagnall zgadza się, że potrzeba dużo więcej pracy, żeby sprawdzić jej hipotezę. Próbuje teraz sprawdzić, czy neurony kontrolujące górną i dolną połowę u danio polegają na różnych zestawach genów. Jeśli tak, sprawdzi zginacze i prostowniki u zwierząt z kończynami, żeby zobaczyć, czy mają ten sam podpis genetyczny.
Źródło: Bagnall & McLean. 2013.Modular Organization of AxialMicrocircuits in Zebrafish. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.1245629
How do you move a leg that was once a fin
Not Exactly Rocket Science, 9 stycznia 2013
Tłumaczenie M.K.
_______
Ed Yong
Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację.
Strona www autora
W komentarzach na stronie Eda Yonga jeden z czytelników natychmiast podrzucił wideo z chodzącym rekinem.
