Прослеживание истории самых первых животных даёт нам ключ к разгадке того, произошло ли появление нейрона лишь однажды.
Миллиарды нейронов человеческого мозга представляют собой паноптикум клеток, являющихся одними из наиболее высокоспециализированных и разнообразных клеток нашего организма. Нейроны трансформируют электрические сигналы в химические, и в теле человека их длина иногда может быть не больше самого кончика наточенного карандаша, а иногда простираться до размеров дверного проёма. То, насколько гибко они способны контролировать движение и принятие решений объясняет, почему они играют настолько важную роль в выживании в мире животных.
Большинство животных зависит от того, в какой степени они наделены нейронами для своего выживания. Тогда может быть вполне логичным, что общий предок всех этих животных также передвигался по Земле миллионы лет назад, руководствуясь электрохимическими сигналами, посылаемыми и получаемыми сетями нейронов. Идея о том, что эти ключевые клетки эволюционировали несколько раз кажется невероятной, поскольку нейроны — очень сложные клетки, и кроме того они весьма подобны у разных линий животных. Но серия недавних исследований в области эволюционной биологии испытывает на прочность предположение о том, что все животные нейроны происходят от одного источника.
Результаты этих исследований являются кульминацией нескольких лет работы и споров о ранних линиях животных в эволюции и клетках и системах, присутствовавших в этих видах. Первая такая находка была получена при исследовании родства между ранними животными, центром внимания которых были два вида: губки (включая морских и пресноводных представителей) и ктенофоры – беспозвоночные, широко известные как гребневики, хотя с медузами они не родственны (подразумевается сходство английских названий гребневика — «comb jelly» и медузы — «jelly fish» — прим. перев.). Примерно 15 лет между биологами-эволюционистами существовал раскол относительно того, кто первым в эволюционном древе ответвился от всех остальных животных — ктенофоры или губки. Сотни миллионов лет назад общий предок всех существующих животных разделился на два вида. С одной стороны был общий предок всех групп животных кроме одного. С стороны — тот «один» — «сестринская группа», которая первой отделилась от всех других животных. Настойчивым вопросом является — были ли сестринской группой губки или ктенофоры.
Привлёкшая всеобщее внимание статья, опубликованная в прошлом году, выступает с серьёзной поддержкой гипотезы, что, фактически, ктенофоры — сестринская группа, которую так долго искали. Ктенофоры, как обнаружили исследователи, ответвились раньше губок, и, таким образом, являются наиболее отстоящей от остальных животных группой. И всё же, несмотря на новые данные, что именно произошло в истории эволюции до сих пор не ясно, так как они ставят перед загадкой объяснения эволюции нейронов.
Нейроны отсутствуют у губок и присутствуют у ктенофоров и почти всех других животных на планете. Если ктенофоры ответвились в древе жизни раньше губок, это предполагает один или два эволюционных сценария. По одному сценарию, предшественник всех животных, который существовал почти миллиард лет назад, имел нейроны, и все виды животных их унаследовали. Это означало бы, что губки должны были в определённый момент потерять свои нейроны, так как у них больше нет нейронов, которые были унаследованы их предками.
Альтернативная теория постулирует, что у предка всех животных отсутствовали нейроны, чем объясняется тот факт, что ранние ответвившиеся животные, такие как губки, не имеют нейронов. Тогда у большинства животных нейроны должны были появиться позднее, после ответвления губок — кроме нейронов у ктенофоров. Если у общего предка не было нейронов, а нейроны у большинства животных появились после того, как ктенофоры и губки уже ответвились, тогда нейроны у ктенофоров должны были развиваться независимо. По этому сценарию нейроны эволюционировали дважды — сначала у ктенофоров, а затем у других животных — что ставит под вопрос однократное происхождение нейронов.
«Я бы сказал, что здесь и сейчас я не определился касательно того, какой из двух сценариев наиболее вероятен», — говорит Детлев Арендт, профессор и старший научный сотрудник в Европейской лаборатории молекулярной биологии, специалист по эволюции нейронов и нервных систем.
Макс Телфорд, профессор зоологии Центра происхождения жизни и эволюции Университетского колледжа Лондона, больше поддерживает первый сценарий. «Вполне вероятно, что губки не имеют нервной системы, так как они утратили её, поскольку являются седентарными фильтраторами и не имеют необходимости в сложной нервной системе», — говорит он. — Упрощение и утрата происходят постоянно».
Губки не будут уникальным примером утраты нейронов. Телфорд приводит пример Myxozoa, одних из самых маленьких животных Земли, близких родственников медуз и актиний. Общий предок этих трёх животных почти определённо обладал нервной системой, но Myxozoa потеряли её в определённый момент в глубокой эволюционной давности.
Картина также размыта тем фактом, что нейроны ктенофоров очень странные — на самом деле настолько странные, что может оказаться неудивительным, что нейроны у ктенофоров появились независимо от нейронов у других животных. В другой недавней работе было обнаружено, что большая часть нервной системы ктенофоров состоит из нейронов без синапсов, характеристика, наличие которой где-нибудь ещё в мире животных не подтверждено. «Больше не существует примеров такого крайнего варианта нервной системы», — говорит Арендт. «Но существует много примеров, где нервные системы редуцируются и становятся очень простыми», — добавляет он.
Лесли Бабонис, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Корнельского университета, изучающая происхождение новых признаков у животных, может представить себе сценарии, где эти странные нейроны всё-таки эволюционировали от одного предшественника до нейронов в других линиях. «Существует масса доказательств, чтобы предположить, что нейроны однажды развились у общего предка всех животных и что каждая линия... модифицировала эти нейроны очень сложными и разными способами». В то же время, «это ставит под удар наш взгляд на мир, в котором эти животные просто взяли и отказались от таких важных вещей» вроде нейронов, — говорит она.
Консенсус не достигнут. «Нам нужно больше знать, я полагаю, о нервах и нервных клетках, и какими были их предшественники», — говорит Телфорд.
Действительно, для того, чтобы распутать эволюционную историю нейронов, может потребоваться обратиться к некоторым основам того, откуда вообще взялись нейроны. Биологи ещё не установили модель того каким образом нейроны смогли появиться однажды — не говоря уже о дважды. Главным соискателем является «гипотеза химического мозга», иногда именуемая «гипотезой нейросекреторной сети», которая предполагает, что предшественником нейронов были клетки, которые полагались исключительно на химическую связь, чтобы посылать сигналы через организм. Гипотеза химического мозга получила большую популярность в сентябре прошлого года, благодаря загадочным животным под названием пластинчатые. Пластинчатые невидимы без помощи микроскопа. Подобно ктенофорам они живут в океане, но имеют толщину всего в несколько клеток, и имеют аморфные тела. В отличие от ктенофоров, однако, у пластинчатых отсутствуют нейроны. Вместо этого они полагаются по большому счёту на специализированные пептидергические клетки, которые освобождают короткие цепочки аминокислот или реагируют на них, управляя своими микроскопическими телами используя только химические сигналы.
Пептидергические клетки у пластинчатых не являются нейронами. Они не используют электрические импульсы, а их связь с близлежащими клетками ограничена отправкой сигналов другим клеткам — в отличие от нейронов, которые могут как посылать, так и принимать их. Но новый анализ обнаружил, что пептидергические клетки имеют пугающее сходство с нейронами и содержат белки, связанные с физическими структурами, окружающими синапсы нервных систем. Это даёт предположительную схему эволюции нейронов животных и укрепляет результаты проведённой ранее работы по установлению соединительного звена между химическими секреторными клетками и нервными клетками.
В то время как это исследование поддерживает гипотезу химического мозга, оно не исключает другие модели эволюции нейронов. Другая модель середины 20-го века, которую Арендт окрестил «гипотезой сократительной сети», постулирует, что когда-то нейроны были частью гипотетических «нейромышечных клеток», которые могли унаследовать функции как мышц, так и нейронов. Важно отметить, что гипотезы химического мозга и сократительной сети не взаимоисключают друг друга.
«Нейроны, даже в пределах одной эволюционной линии, могут иметь два разных происхождения», — говорит Арендт. — И то и другое может быть верным, но иметь место в разных регионах организма». Даже различные типы синапсов нашего мозга могут иметь различное происхождение.
Может оказаться, что многие компоненты нашей нервной системы могли эволюционировать более, чем единожды — даже если все нейроны у животных можно проследить до единого предка.
Автор — Кара Джованетти — аспирант Нью-Йоркского университета.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно:
