Имат ли глави морските звезди? Всъщност са изцяло само глави

Ваня Милева Последна промяна на 03 ноември 2023 в 00:00 4874 0

Необичайната петолъчева симетрия на морските звезди (Patiria miniata) отдавна обърква разбирането ни за еволюцията на животните.

Кредит Chan Zuckerberg Biohub

Необичайната петолъчева симетрия на морските звезди (Patiria miniata) отдавна обърква разбирането ни за еволюцията на животните.

В продължение на векове натуралистите са се питали какво може да представлява главата на морска звезда. Когато гледате червей или риба, е ясно кой край е главата и на кой - опашката. Но с петте им еднакви пипала - всяко от които може да поеме водеща роля в придвижването на морските звезди по морското дъно - никой не знае как може да се различи предният край на организма от задния. Този необичаен строеж на тялото кара мнозина да заключат, че морските звезди може би изобщо нямат глава.

Но сега лаборатории в Станфордския и Калифорнийския университет в Бъркли публикуват проучване, което установява, че истината е по-близо до абсолютно обратното.

Накратко, макар екипът да открива генни сигнатури, свързани с развитието на глава почти навсякъде в младите морски звезди, експресията на гени, които кодират торса и опашката на животното, до голяма степен липсват.

Изследователите са използвали различни високотехнологични молекулярни и геномни техники, за да разберат къде са били експресирани различни гени по време на развитието и растежа на морските звезди. Екип в Саутхемптън използва микро компютърно томографско сканиране, за да разбере формата и структурата на животното в безпрецедентни подробности.

В друго изненадващо откритие, молекулярните сигнатури, обикновено свързани с най-предната част на главата, са локализирани в средата на всяко от пипалата на морската звезда, като тези сигнатури стават все по-назад, движейки се към ръбовете на пипалата.

Изследването, публикувано на 1 ноември в Nature, предполага, че далеч не са били без глави, през еволюцията си морските звезди са загубили телата си, за да останат само глави.

Микро-CT сканиране на морска звезда, показващо скелета (сиво), храносмилателната система (жълто), нервната система (синьо), мускулите (червено) и водносъдовата система (лилаво). Водносъдовата система на морската звезда е хидравлична система, съставена от мрежа от канали, пълни с течност, служи за придвижване, адхезия, манипулиране на храната и дишане. Кредит: University of Southampton

"Сякаш на морската звезда напълно липсва тяло и най-добре се описва като просто глава, пълзяща по морското дъно", коментира Лоран Формъри (Laurent Formery), постдокторант и водещ автор на новото изследване. "Изобщо не е това, което учените са предполагали за тези животни."

Двама от тримата главни автори на изследването, морският биолог и еволюционният биолог Кристофър Лоу (Christopher Lowe) от Станфордския университет и Даниел Рохсар (Daniel Rokhsar) от Калифорнийския университет в Бъркли, експерт по молекулярната еволюция на животинските видове, си сътрудничат от десетилетие.

Пъзел във формата на звезда

Почти всички животни, включително хората, са двустранно симетрични, което означава, че могат да бъдат разделени на две огледални половини по една ос, простираща се от главата до опашката им. През 1995 г. Нобеловата награда за физиология или медицина бе присъдена на трима учени, които са използвали плодови мушици, за да демонстрират, че двустранният план на тялото от глава до опашка, наблюдаван при повечето животни, възниква от действието на серия от молекулярни превключватели, кодирани от гени, експресиращи в определени области на главата и торса.

Микро-CT сканиране на морска звезда, показващо скелета (сиво), храносмилателната система (жълто), нервната система (синьо), мускулите (червено) и водносъдовата система (лилаво). Кредит: University of Southampton

Оттогава изследователите са потвърдили, че същото генетично програмиране се споделя от огромното мнозинство животински видове, включително гръбначни като хора и риби, както и в много безгръбначни като насекоми и червеи.

Но структурата на тялото на морските звезди отдавна е обърквала разбирането на учените за еволюцията на животните. Вместо да показват двустранна симетрия, възрасните морски звезди - и свързаните с тях бодлокожи, като морските таралежи и морските краставици - имат пет оси на симетрия без ясна глава или опашка. И никой не е успял да определи как генетичното програмиране задейства тази необичайна петлъчева симетрия.

Някои учени предполагат, че при морските звезди оста от главата до опашката може да се простира от бронирания гръб на животното до корема му, който е покрит с килим от тръбички на водносъдовата му система, която представлява хидравлична система, съставена от мрежа от канали, пълни с течност, и служи за придвижване и др. Други предполагат, че всяко от петте пипала на морската звезда съответства на копие на конвенционалната ос глава-опашка.

Усилията за окончателно потвърждаване на такива хипотези обаче са изправени пред предизвикателства, до голяма степен защото методите за откриване на генна експресия, разработени предимно в малък брой моделни организми като мишки и мухи, не работят добре в тъканите на млади морски звезди.

В продължение на години Лоу и колегите му търсят подходяща генетична информация, като картографирайки генетичната активност в развиващите се морски звезди. Но без сложните набори от генетични инструменти, разработени в продължение на десетилетия на изследвания, които съществуват за типичните моделни организми, такъв цялостен анализ бе недостатъчен.

Микро-CT сканиране на морска звезда, показващо скелета (сиво), храносмилателната система (жълто), нервната система (синьо), мускулите (червено) и водносъдовата система (лилаво). Кредит: University of Southampton

Технология, променяща играта

Лоу намира решение за този проблем на една от редовните срещи на Biohub Investigators в Сан Франциско, където друг изследовател се свързва с PacBio, компания от Силициевата долина, която изгражда устройства за секвениране на генома. През предходните пет години PacBio усъвършенства техника за секвениране на огромни количества генетичен материал, използвайки чипове с размер на пощенска марка, пълни с милиони отделни химически реактори, всеки от които е готов да чете едновременно дълги участъци от ДНК, уловени вътре.

За разлика от традиционното секвениране, което изисква нарязване на генетичен материал на малки парчета, за да се осигури точност, подходът на PacBio, наречен HiFi секвениране, може да извлече много точни данни от непокътнати ДНК вериги с размер на ген, което прави процеса много по-бърз и по-евтин. Точно това бе нужно на Лоу и неговият екип, за да изучат генетиката на морските звезди от самото начало.

"Този вид секвениране, който би продължил месеци, сега може да се направи за няколко часа и е стотици пъти по-евтин, отколкото само преди пет години", отбелязва Дейвид Ранк (David Rank), съавтор на новото проучване и бивш научен сътрудник на PacBio. "Тези постижения означаваха, че можем да започнем по същество от нулата в организъм, който обикновено не се изучава в лабораторни условия, и да съберем вид подробно изследване, което би било невъзможно преди 10 години."

Тази технология позволява на изследователите да секвенират геномите на морските звезди и да използват подход, наречен пространствена транскриптомия, чрез който те биха могли да определят кои гени на морски звезди са активни на точни места в организма. За да намерят модели, които биха показали ос от главата до опашката, изследователите изследват разликите в генната експресия в три различни посоки по тялото: от центъра на морската звезда до върховете на пипалата, от върха до корема и от едната страна на ръба на пипалата към другия.

След това, за да разгледат по-отблизо как се държат определени ключови гени, ги маркират един по един с флуоресцентни багрила, за да създадат подробна карта на тяхното разпространение в тялото на морската звезда.

Микро-CT сканиране на морска звезда, показващо скелета (сиво), храносмилателната система (жълто), нервната система (синьо), мускулите (червено) и водносъдовата система (лилаво). Кредит: University of Southampton

Изследователите откриват, че нито една от известните хипотези за структурата на плана на тялото на морската звезда не е правилна. Вместо това те виждат, че генната експресия, съответстваща на предния мозък при хора и други двустранно симетрични животни, е разположена по средната линия на пипалата на морските звезди, като генетичната експресия съответства на тази на човешкия среден мозък към външните краища на пипалата.

В морската звезда се експресират повечето от гените, маркиращи различни подрегиони на главата при хора и други двустранни, но е експресиран само един от гените, обикновено свързани с торса при животните, и то в самите краища на пипалата на морските звезди.

"Тези резултати предполагат, че бодлокожите, и по-специално морските звезди, имат най-драматичния пример за отделяне на регионите на главата и тялото, за който знаем днес", посочва Формъри, добавяйки, че някои странно изглеждащи предци на морски звезди, запазени във вкаменелостите наистина изглежда са имали тяло. "Това само отваря много нови въпроси, които сега можем да започнем да изследваме."

Чрез оцветяване на генетичен материал с флуоресцентни маркери, изследователите могат да изследват как се държат ключовите гени в тялото на морската звезда. Кредит: Laurent Formery

Врата към нови открития

Въпросите, които екипът се надява да разгледа по-нататък, включват дали генетичният модел, наблюдаван в морските звезди, се проявява и в морските таралежи и морските краставици. От своя страна Формъри иска да проучи и какво може да ни научи морската звезда за еволюцията на нервната система, която никой не разбира напълно при бодлокожите.

Ако се научи повече за морската звезда и нейните роднини, това не само ще помогне за разрешаването на ключови загадки на еволюцията на животните, но също така може да вдъхнови иновации в медицината, смятат изследователите.

Морските звезди се разхождат, движейки вода през хиляди тръбички в пипалата си и смилат плячката си, като изваждат стомасите си извън телата си.

Съвсем логично е, че тези необичайни същества да са развили и напълно неочаквани стратегии за поддържане на здравето си - които, ако отделим време да ги разберем, биха могли да разширят нашите подходи за борба с човешките болести.

"Със сигурност е по-трудно да се работи в организми, които се изучават по-рядко“, коментира Рохсар. "Но ако се възползваме от възможността да изследваме необичайни животни, които работят по необичаен начин, това означава, че разширяваме нашия поглед върху биологията, което в крайна сметка ще ни помогне да разрешим както екологични, така и биомедицински проблеми."

Справка:

Laurent Formery, Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06669-2. www.nature.com/articles/s41586-023-06669-2

Thurston Lacalli, A radical evolutionary makeover gave echinoderms their unusual body plan, Nature (2023). DOI: 10.1038/d41586-023-03123-1 , doi.org/10.1038/d41586-023-03123-1

Източник: 

Long presumed to have no heads at all, starfish may be nothing but
Chan Zuckerberg Biohub

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !