Nieuwe dierenstamboom roept vragen op over de oorsprong van het zenuwstelsel – Ars Technica

Vraag iemand om aan een dier te denken, en ze zullen waarschijnlijk een van onze zoogdierverwanten bedenken. Een paar mensen zouden zo ver gaan om andere gewervelde dieren te noemen, zoals vogels en vissen. Maar deze krassen nauwelijks op het oppervlak van de diversiteit van dieren, met dingen als koppotigen, insecten en stekelhuidigen met verschillende kenmerken.

En dat is voordat je bij de echt rare dingen komt, zoals radiaal symmetrische holle voorwerpen of sponzen zonder spieren en zenuwcellen. Of de kamkwallen, die zich verplaatsen door veel draadachtige trilhaartjes rond te draaien. of de Eigenaardigheid is echt een vreemde gestalteSchijfachtige wezens die twee kanten hebben maar geen binnenkant en dingen op hun oppervlak verteren.

Voor mensen die geneigd zijn te denken dat evolutie inhoudt dat organismen complexer worden, is het verleidelijk om zich voor te stellen dat de stamboom van een dier is ontstaan ​​door stapsgewijs meer dingen toe te voegen, zoals zenuwcellen en spieren. Maar er is een gestage stroom van genetische studies geweest die aangeven dat er twee afzonderlijke afstammingslijnen zijn die eindigden met neuronen. De resultaten van deze onderzoeken waren weinig afhankelijk van de genen en soorten die voor analyse waren gekozen. Maar een nieuwe studie die niet afhankelijk is van individuele genen, positioneert sponzen nu stevig als nauwer verwant aan mensen dan sommige andere dieren met een zenuwstelsel.

herschikt de chromosomen

De meeste vroege onderzoeken op dit gebied betroffen het identificeren van verwante genen die aanwezig zijn in alle dieren en het leren hoe deze genen met elkaar verbonden waren. Aangenomen wordt dat de organismen zelf op dezelfde manier verwant zijn. Dit kan in veel situaties erg nuttig zijn, maar de analyse wordt vaak verwarrend wanneer veel soorten in korte tijd uiteenlopen of wanneer individuele genen veel veranderen als gevolg van evolutionaire druk. Daarom kan het exacte antwoord dat u krijgt soms afhangen van welke genen u kiest om naar te kijken.

De nieuwe studie probeert verwarring te voorkomen door te kijken hoe genen op chromosomen zijn gerangschikt. Het blijkt dat individuele genen de neiging hebben om lange tijd op dezelfde plaats op het chromosoom te blijven. Naar schatting duurt het 40 miljoen jaar voordat slechts één procent van de genen in een typisch dierlijk genoom is overgebracht naar een nieuw chromosoom. De kans is dus groot dat als vier genen nu naast elkaar liggen, ze naast elkaar zaten bij de voorouders van de zoogdieren van vandaag die hadden moeten voorkomen dat ze door dinosaurussen werden opgegeten.

Dit betekent niet dat deze voorouders exact hetzelfde aantal en dezelfde rangschikking van chromosomen hadden. Er vinden grootschalige herschikkingen plaats, zoals de fusie of splitsing van chromosomen, of het verwisselen van een groot segment van het ene naar het andere. Maar deze grote herschikkingen houden bijna alle nabijgelegen genen naast elkaar, zelfs als de hele assemblage op een ander chromosoom terechtkomt (verwisselingen kunnen een enkele breuk in een DNA-molecuul inhouden).

Dit betekent dat het afbreken van de lineaire rangschikking van een groep genen technisch wordt genoemd synthetisch– zeer zeldzaam in de evolutionaire geschiedenis van dieren. En door veranderingen in de volgorde van genen bij verschillende soorten te volgen, kunnen we leren waar eerdere genencombinaties in een organisme uiteenvielen en welke andere soorten dezelfde herschikking erfden. En dat kan ons vertellen welke organismen het nauwst aan ons verwant zijn.

Tracking opnieuw bestellen

Om dit type analyse te doen, moet je weten hoe de genen op de chromosomen zijn gerangschikt. We hebben onlangs een technologie ontwikkeld waarmee we zeer lange stukken DNA kunnen sequensen – vaak tienduizenden basen die zich uitstrekken – waardoor het veel gemakkelijker wordt om chromosomen weer in elkaar te zetten. De onderzoekers putten uit zoveel dierlijke genomen als dit werd gedaan en voltooiden er zelf een paar voor de studie. Bovendien reconstrueerden ze de chromosomen van eencellige organismen waarvan werd aangenomen dat ze nauw verwant waren aan dieren om een ​​basis te vormen voor hun startarrangementen.

Er wordt aangenomen dat de oorsprong van dieren ongeveer 800 miljoen jaar geleden plaatsvond. Daarom, hoewel het uiteenvallen van genclusters zeldzaam is, is dit voldoende tijd om dit in een groot deel van het genoom te laten gebeuren. De onderzoekers konden slechts iets minder dan 300 genen identificeren die zich in clusters bevonden die zich uitstrekten tot verwanten van eencellige dieren, waarbij de grootste groep 29 genen omvatte. Toen de onderzoekers 10 miljoen simulaties uitvoerden die willekeurig genen samenvoegden met de verwachte snelheden over 800 miljoen jaar, eindigden ze nooit met een groep zo groot als acht genen, dus de meeste hiervan zijn waarschijnlijk echte voorouderlijke gevallen.

Door de herschikkingen te volgen, konden de onderzoekers acht herschikkingen identificeren die veel voorkomen bij rechts- en linkszijdige dieren zoals wij gewervelde dieren, en zaken als kwallen (Cnidaria) en sponzen (Porifera). Geen van deze is waargenomen bij kamgelei (Ctenophora). Nogmaals, ze voerden 100 miljoen willekeurige simulaties uit en zagen dit overervingspatroon nooit, dus het lijkt echt te zijn.

Dit betekent dat dieren zoals wij als gewervelde dieren, samen met al het andere dat een linker- en rechterkant heeft, nauwer verbonden zijn met sponzen dan wij met gelei. Dit ondanks het feit dat sponzen geen spieren of zenuwstelsel hebben, terwijl kamkwallen ons allemaal delen.

Hoe kan dit waar zijn?

Afgezien van hun gebrek aan zenuwen en spieren, zijn sponzen ongebruikelijk omdat veel van hen een interne minerale structuur hebben die een beetje op een skelet lijkt. Veel van hen gebruiken calciumcarbonaat om dit te maken, maar sommige soorten maken het van silica, wat chemisch heel anders is dan alles wat wij tweebenig maken. Het mist ook zoiets als een intern spijsverteringssysteem.

Maar als dit vreemde verwanten lijken, zijn Placozoans de Festers-oom van de dierenfamilie. Deze bestaan ​​als een tweezijdige schijf die op een gecoördineerde manier over de oppervlakken beweegt. Wanneer ze door het voedsel kruipen, vormen ze gewoon een klein zakje aan de onderkant van de schijf en verteren het op zijn plaats. Dit alles gebeurt zonder duidelijke neuronen of spieren, hoewel er berichten zijn dat ze pieken in elektrische activiteit ervaren, wat bij andere dieren de kenmerken zijn van neuronen.

Nogmaals, deze clusters lijken nauwer aan ons verwant te zijn dan kamkwallen, die zenuwnetwerken en spiercellen bevatten.

Hiervoor zijn twee mogelijke verklaringen, en het is op dit moment onmogelijk om ze uit elkaar te houden. De eerste is dat de voorouders van sponzen en placozoën ook spieren en zenuwcellen hadden, maar ze verloren ze tijdens de evolutie, wat de plannen van hun lichaam gedurende honderden miljoenen jaren radicaal vergemakkelijkte. Dit druist in tegen hoe de meeste mensen zouden verwachten dat evolutie werkt, maar er zijn genoeg organismen die gedijen met gestroomlijnde lichaamsplannen (veel van hen zijn parasieten). Sponzen hebben gedijen in de niche die ze innemen. Placozoën kunnen ook goed gedijen, maar ze zijn klein en gemakkelijk over het hoofd te zien, dus daar hebben we geen goed begrip van.

Het alternatief is dat zaken als spieren en zenuwcellen twee keer zijn geëvolueerd. Dit lijkt misschien onmogelijk, maar er zijn een paar dingen die in die richting wijzen. Een daarvan is dat er significante verschillen lijken te zijn tussen de neuronen en spieren van kamkwallen en die van rechts- en linkszijdige dieren. Placozoën lijken, zoals hierboven vermeld, neuronachtig gedrag te vertonen, zelfs als ze geen neuronen hebben. Veel van de eiwitverbindingen die nodig zijn voor het functioneren van zenuwcellen worden geproduceerd door sponzen. Het zou dus kunnen zijn dat de voorouders van al deze dieren stukjes op hun plaats hadden waardoor neuronen zich konden ontwikkelen met minder veranderingen dan anders nodig zou zijn.

Onderscheid maken tussen deze mogelijkheden zou een serieuze uitdaging zijn, en het is niet waarschijnlijk dat het simpelweg verzamelen van meer genoomsequenties ons een antwoord zal bieden. In plaats daarvan moeten we misschien gaan werken aan het kweken van kamgelei in het lab, zodat we neuronen en spieren van dichterbij kunnen bekijken.

Natuur, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05936-6 (over DOI’s).