Co mysz ma wspólnego z chrzęstną rybą zwaną małą łyżwą?
Na pierwszy rzut oka możesz myśleć niewiele. Jeden jest puszysty, z dużymi uszami i wąsami; drugi oddycha skrzelami i faluje wokół oceanu. Jednym z nich jest zwierzę laboratoryjne lub szkodnik domowy; drugi najprawdopodobniej można zobaczyć na wolności lub na dnie płytkiego basenu w akwarium. Ale okazuje się, że te dwa kręgowce mają ze sobą coś wspólnego: umiejętność chodzenia. I powód, dla którego możemy zmienić sposób myślenia o ewolucji chodzenia na zwierzętach lądowych - w tym na ludziach.
Nowe badanie genetyczne przeprowadzone przez naukowców z New York University ujawnia coś zaskakującego: Podobnie jak myszy, małe łyżwy posiadają genetyczny plan, który pozwala na zmianę ruchu lokomotywy z prawej i lewej strony przez czworonożne zwierzęta lądowe. Geny te zostały przekazane od wspólnego przodka, który żył 420 milionów lat temu, na długo przed pierwszymi kręgowcami pełzającymi z morza na brzeg.
Innymi słowy, niektóre zwierzęta mogły mieć ścieżki neuronowe niezbędne do chodzenia, zanim jeszcze żyły na lądzie.
Nowe badania, opublikowane dziś w czasopiśmie Cell, rozpoczęły się od podstawowego pytania: w jaki sposób różne zachowania motoryczne ewoluowały lub zmieniały się u różnych gatunków w czasie? Autor Jeremy Dasen, profesor nadzwyczajny w NYU Neuroscience Institute, wcześniej pracował nad ruchem węży. Zainspirował go do przeglądania łyżew po przeczytaniu książki Neila Shubina, Twoja wewnętrzna ryba: podróż w 3, 5-miliardową historię ludzkiego ciała, ale tak naprawdę nie wiedział, od czego zacząć.
„Nie miałem pojęcia, jak wygląda łyżwa” - mówi Dasen. „Zjadłem to wcześniej w restauracji. Więc zrobiłem to, co wszyscy, poszedłem do Google, aby znaleźć filmy na łyżwach. ”Jedną z pierwszych rzeczy, które znalazł, był film na YouTube o czystej łyżwie, która zachowuje się podczas chodzenia. „Byłem jak, wow, to naprawdę świetne! Jak to robi? ”- mówi.
Używając łyżew zebranych przez Marine Biological Laboratory w Woods Hole, Dasen i inni próbowali się tego dowiedzieć. Po pierwsze, podstawy: Małe łyżwy to mieszkańcy dna, którzy mieszkają wzdłuż wschodniego wybrzeża Oceanu Atlantyckiego. W rzeczywistości nie mają nóg, a ich chodzenie nie wygląda jak człowiek idący na spacer. Używają przednich płetw miednicy zwanych „crus”, znajdujących się pod znacznie większą płetwą w kształcie rombu, która faluje podczas pływania.
Kiedy karmią się lub muszą poruszać się wolniej, angażują swoje krowy w naprzemienny lewy-prawy ruch wzdłuż dna oceanu. Z dołu wygląda prawie jak małe stopy napędzające łyżwę do przodu.
Ale Dasen i jego zespół nie byli zainteresowani biomechaniką; chcieli zidentyfikować geny kontrolujące motoryczne ścieżki neuronowe podczas chodzenia na deskorolce.
Przyglądając się układowi kręgowców, genetycy często zaczynają od genów Hox, które odgrywają kluczową rolę w określaniu planu organizmu organizmu. Jeśli geny zostaną znokautowane lub źle uporządkowane, może to oznaczać katastrofę dla zwierzęcia (jak w eksperymencie, w którym mucha wyrosła na głowie zamiast anteny po tym, jak naukowcy celowo wyeliminowali pewne geny Hox).
Dasen i jego współpracownicy przyjrzeli się także genetycznemu czynnikowi transkrypcyjnemu o nazwie Foxp1, znajdującemu się w rdzeniu kręgowym u czworonogów. Uproszczone wyjaśnienie polega na tym, że działa poprzez wyzwalanie neuronów ruchowych, które umożliwiają ruch chodzenia.
„Jeśli wyeliminujesz [Foxp1] z organizmów modelowych, takich jak myszy, stracą one zdolność koordynowania mięśni kończyn”, mówi Dasen. „Mają poważną dysfunkcję ruchową, która uniemożliwia im normalne chodzenie”. Nie chodzi o to, że myszy bez Foxp1 nie mają kończyn ani mięśni niezbędnych do chodzenia - po prostu nie mają odpowiednio okablowanych obwodów, aby to zrobić.
Ta kombinacja genów w małych łyżwach, która pozwala im przejść przez dno morskie w poszukiwaniu obiadu, sięga wstecz do wspólnego przodka, który żył 420 milionów lat temu - niespodzianka dla badaczy, ponieważ pomyślano o zdolności do chodzenia przyjść po rozpoczęciu przejścia z morza na ląd, a nie wcześniej. Fakt, że takie cechy genetyczne trwały tak długo i ewoluowały w tak unikalny sposób wśród różnych gatunków, tylko wzmógł podniecenie Dasena.
„Istnieje wiele literatury na temat ewolucji kończyn, ale tak naprawdę nie uwzględnia ona neuronalnej strony rzeczy, ponieważ trudniej jest ją studiować”, mówi Dasen. „Nie ma zapisów kopalnych dla neuronów i nerwów. Są znacznie lepsze sposoby badania ewolucji, patrząc na kościste struktury. ”
Wielu badaczy szukało w zapisie kopalnym szczegółowych informacji na temat najwcześniejszych mieszkańców ziemi. Jest Elginerpeton pancheni, wczesny czworonóg, który żył poza oceanem około 375 milionów lat temu. Jest też Acanthostega, kolejny starożytny kręgowiec, który naukowcy niedawno przeanalizowali, aby dowiedzieć się o jego wzorcach wzrostu kończyn i dojrzałości płciowej.
Tymczasem inni biolodzy zdobyli wskazówki, przyglądając się niektórym z najdziwniejszych obecnie żyjących ryb, z których wiele ma starożytne pochodzenie. Niektórzy patrzyli na Coelacanth i sarkopterygians lub lungfish (te ostatnie używają płetw miednicy do poruszania się w ruchu jak chodzenie). Inni badali ruch bishr. Afrykański gatunek ryb jest wyposażony w płuca i skrzela, dzięki czemu może przetrwać z wody - i ma ruch podobny do chodzenia, gdy jest zmuszony do życia na lądzie, jak pokazano w eksperymencie z 2014 r. Przeprowadzonym przez biolog Emily Standen z University of Ottawa inni
Standen mówi, że bardzo podziwia nowe badania nad małymi rolkami. „Spodziewałbym się, że byłoby trochę podobieństwa [w systemach odpowiedzialnych za ruch różnych zwierząt], ale fakt, że jest tak blisko, jak to było, był miłą niespodzianką”, mówi. „Mówi o tym, w co wierzę dość mocno, że układ nerwowy oraz jego rozwój i funkcjonowanie są bardzo elastyczne”.
Ta elastyczność była wyraźnie kluczowa w całej historii ewolucji. Dzięki temu 420-milionowemu przodkowi mamy teraz wszystko, od ryb, które pływają, przez węże, które ślizgają się, myszy, które chodzą, po łyżwy, które używają kombinacji ruchów - z genem Foxp1 wyrażanym lub tłumionym w zależności od unikalny plan ciała zwierzęcia i jego ruch.
A teraz, gdy wiemy nieco więcej, co kontroluje ten ruch na łyżwach, możliwe, że wiedza może w przyszłości znaleźć zastosowanie w zrozumieniu dwunożności u ludzi.
„Podstawowa zasada, za pomocą której neurony ruchowe łączą się z różnymi obwodami, tak naprawdę nie została opracowana [w złożonych organizmach], więc skate jest sposobem, aby spojrzeć na to w bardziej uproszczonym systemie”, mówi Dasen. Ale nie chce wyprzedzać siebie w przewidywaniu, co to może znaczyć dla przyszłości. Dasen ma tylko nadzieję, że po obejrzeniu badań ludzie po prostu pomyślą: „Kurczę, to naprawdę fajne. Mogą chodzić! ”
