Головы большинства животных легко опознаются, но ученые до сих пор не смогли сказать то же самое о морских звездах.
У морской звезды есть пять одинаковых рук со слоем «трубчатых ножек» под ними, которые могут помочь морскому существу передвигаться по морскому дну, заставляя натуралистов ломать голову над тем, имеют ли морские звезды определенные передний и задний концы — и есть ли у них вообще головы.
Но новые генетические исследования показывают обратное: морские звезды в основном представляют собой головы без туловища и хвоста и, вероятно, со временем утратили эти особенности в ходе эволюции.
Исследователи заявили, что причудливые окаменелости предков морских звезд, у которых, по-видимому, было что-то вроде туловища, имеют гораздо больше смысла с эволюционной точки зрения в свете новых результатов.
«Это похоже на то, как будто у морской звезды полностью отсутствует хобот, и ее лучше всего можно описать как просто голову, ползущую по морскому дну», — сказал в своем заявлении ведущий автор исследования Лоран Формери, постдокторант Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли. . «Это совсем не то, что ученые предполагали об этих животных».
Открытия, ставшие возможными благодаря новым методам генетического секвенирования, могут помочь ответить на некоторые из самых важных оставшихся вопросов об иглокожих, включая их общее происхождение с людьми и другими животными, которые совсем на них не похожи.
Уникальный план кузова
Морские звезды принадлежат к группе иглокожих, в которую входят морские ежи, песчаные доллары и морские огурцы. Необычные животные имеют уникальный план тела, разделенный на пять равных секций, которые сильно отличаются от симметричных тел двусторонних животных, у которых левая и правая стороны зеркально отражают друг друга.
Морские звезды начинаются с оплодотворенных яиц, которые вылупляются и становятся личинками, плавающими в океане, как планктон, в течение недель или месяцев, прежде чем оседать на дне океана. Там они проходят процесс, который превращает двустороннее тело в звездообразное или пентарадиальное тело.
«Это было зоологической загадкой на протяжении веков», — сказал в своем заявлении старший соавтор исследования Кристофер Лоу, морской биолог и биолог развития из Стэнфордского университета. «Как можно перейти от двустороннего плана тела к пентарадиальному плану и как можно сравнить любую часть морской звезды с нашим собственным планом тела?»
Двусторонний план тела большинства животных обусловлен генетическими действиями на молекулярном уровне, которые можно проследить в областях головы и туловища или основного тела, поэтому позвоночные, такие как люди, и многие беспозвоночные, включая насекомых, имеют схожие генетические программы. Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1995 году.
Но иглокожие также имеют общего предка с двусторонними животными, что усложняет загадку, которую пытаются решить исследователи.
«Как различные части тела иглокожих соотносятся с теми, которые мы видим у других групп животных, было загадкой для ученых с тех пор, как мы их изучали», — сказал соавтор исследования доктор Джефф Томпсон, преподаватель Университета Саутгемптон, в заявлении. «У их двусторонних родственников тело разделено на голову, туловище и хвост. Но, просто глядя на морскую звезду, невозможно увидеть, как эти участки соотносятся с телами двусторонних животных».
Взлом кода иглокожих
Исследователи, стоящие за новым исследованием, использовали микрокомпьютерную томографию, чтобы получить беспрецедентный трехмерный взгляд на форму и структуру морских звезд.
Затем члены команды использовали передовые аналитические методы, чтобы определить места экспрессии генов в ткани и определить конкретные последовательности РНК внутри клеток. Экспрессия генов происходит, когда информация внутри гена становится функциональной.
Специфические молекулярные маркеры действуют как чертежи плана тела, направляя каждую клетку в ту область тела, которой она принадлежит.
«Если вы снимете кожу животного и посмотрите на гены, участвующие в различении головы и хвоста, то увидите, что одни и те же гены кодируют эти области тела во всех группах животных», — сказал Лоу. «Поэтому мы проигнорировали анатомию и спросили: есть ли молекулярная ось, скрытая под всей этой странной анатомией, и какова ее роль в формировании пентарадиального плана тела морской звезды?»
Вместе эти данные создали трехмерную карту, чтобы определить, где экспрессируются гены по мере развития и роста морских звезд. Команде удалось определить гены, которые контролируют развитие эктодермы морской звезды, включая ее кожу и нервную систему.
Генетические признаки, связанные с развитием головы, были обнаружены по всей морской звезде, особенно сконцентрированы в центре звезды и центре каждой конечности. Но экспрессия генов для частей туловища и хвоста в значительной степени отсутствовала, показывая, что морские звезды «имеют самый драматичный пример разделения областей головы и туловища, о котором мы знаем сегодня», — сказал Формери, который также является исследователем в Чанском университете. Zuckerberg BioHub, некоммерческая исследовательская организация в Сан-Франциско.
Исследование финансировалось Chan Zuckerberg BioHub, соучредителями которого в 2021 году были доктор Присцилла Чан и Марк Цукерберг, а также НАСА, Национальный научный фонд и Leverhulme Trust.
«Когда мы сравнили экспрессию генов у морской звезды с другими группами животных, например, позвоночными, выяснилось, что отсутствует важная часть строения тела», — сказал Томпсон. «Гены, которые обычно участвуют в формировании рисунка туловища животного, не экспрессируются в эктодерме. Похоже, что строение тела иглокожих примерно эквивалентно строению головы у других групп животных».
Морские звезды и другие иглокожие, вероятно, развили свое уникальное строение тела после того, как их предки потеряли туловищную часть, что позволило им передвигаться и питаться иначе, чем другие животные.
«Наше исследование показывает, что строение тела иглокожих развивалось более сложным образом, чем считалось ранее, и еще многое предстоит узнать об этих интригующих существах», — сказал Томпсон. «Как человек, изучавший их в течение последних десяти лет, эти открытия радикально изменили мое мнение об этой группе животных».
Открытие новых идей
Исследования на животных в основном нацелены на тех, кто имеет сходство с людьми. Но изучение таких групп, как иглокожие, могло бы раскрыть некоторые из самых сложных загадок эволюции жизни на Земле.
«Большинство животных не имеют развитой нервной системы и охотятся за добычей — это скромные животные, которые живут в норах в океане. Людей, как правило, не привлекают эти животные, и все же они, вероятно, олицетворяют начало жизни», — сказал Лоу.
Понимание того, как развивались такие животные, как морские звезды, также может помочь понять различные способы, которыми разные виды остаются здоровыми.
«Конечно, труднее работать с организмами, которые изучаются реже», — сказал в своем заявлении соавтор исследования Дэниел Рохсар, профессор генетики, геномики, эволюции и развития Калифорнийского университета в Беркли и исследователь Chan Zuckerberg BioHub.
«Но если мы воспользуемся возможностью изучить необычных животных, которые действуют необычным образом, это означает, что мы расширим наш взгляд на биологию, которая в конечном итоге поможет нам решить как экологические, так и биомедицинские проблемы».
No comments:
Post a Comment