Nowe badania pokazują, że ciała rozgwiazd to w rzeczywistości tylko głowy

Zapisz się na biuletyn naukowy CNN dotyczący teorii cudów. Eksploruj wszechświat dzięki wiadomościom o fascynujących odkryciach, postępach naukowych i nie tylko.

CNN
—

Głowy większości zwierząt są łatwo rozpoznawalne, ale naukowcom nie udało się dotychczas powiedzieć tego samego o gwiazdach morskich.

Rozgwiazda ma pięć identycznych ramion, pod którymi znajduje się warstwa „rurowych stóp”, które mogą pomóc stworzeniu morskiemu poruszać się po dnie morskim, co skłania przyrodników do zastanawiania się, czy gwiazdy morskie mają określone końce z przodu i z tyłu oraz czy w ogóle mają głowy.

Jednak nowe badania genetyczne sugerują coś innego, że gwiazdy morskie to w większości głowy pozbawione tułowia i ogona, które prawdopodobnie z biegiem czasu utraciły te cechy ewolucyjnie.
Naukowcy stwierdzili, że dziwne skamieniałości przodków gwiazd morskich, które wydają się mieć pień, mają bardziej ewolucyjny sens w świetle nowych odkryć.

Wyniki opublikowano w środę w czasopiśmie Natura.

„To tak, jakby rozgwiazda całkowicie straciła tułów i najlepiej opisać ją jako głowę pełzającą po dnie morskim” – powiedział Laurent Formery, główny autor badania i pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Stanforda i Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. oświadczenie. . „Wcale nie tak zakładali naukowcy w odniesieniu do tych zwierząt”.

Odkrycie, możliwe dzięki nowym metodom sekwencjonowania genetycznego, może pomóc w odpowiedzi na niektóre z najważniejszych pytań dotyczących szkarłupni. Łącznie z ich wspólnymi przodkami z ludźmi i innymi zwierzętami, które w niczym nie są do nich podobne.

Unikalny plan ciała

Rozgwiazdy należą do grupy zwanej szkarłupniami, do której zaliczają się jeżowce, dolary piaskowe i ogórki morskie. Niezwykłe zwierzęta mają unikalne plany ciała ułożone w pięciu równych sekcjach, które znacznie różnią się od symetrycznych ciał zwierząt dwustronnych, od głowy do ogona, w których lewa i prawa strona są lustrzanym odbiciem.

Gwiazdy morskie zaczynają jako zapłodnione jaja, z których wykluwają się larwy, które unoszą się w oceanie niczym plankton przez tygodnie lub miesiące, zanim osiądą na dnie oceanu. Tam przechodzą proces przekształcania ciała podwójnego w ciało w kształcie gwiazdy lub pięciokąta.

„To była tajemnica zoologii od wieków” – stwierdził w oświadczeniu Christopher Lowe, jeden z głównych autorów badania oraz biolog morski i rozwojowy na Uniwersytecie Stanforda. „Jak przejść od podwójnego planu ciała do pięciokrotnego planu ciała i jak porównać dowolną część rozgwiazdy z naszym własnym planem ciała?”

Dwustronny plan ciała u większości zwierząt wynika z działań genetycznych na poziomie molekularnym, które można prześledzić do głowy i tułowia lub głównych obszarów ciała, dlatego kręgowce, takie jak ludzie, i wiele bezkręgowców, w tym owady, mają podobne zaprogramowanie genetyczne. Odkrycie to zostało nagrodzone Nagroda Nobla Doktorat z fizjologii lub medycyny w 1995 roku.

Jednak szkarłupnie mają również wspólnego przodka ze zwierzętami dwustronnymi, co zwiększa zagadkę, którą badacze próbują rozwiązać.

Współautor badania, dr Geoff Thompson, wykładowca na Uniwersytecie Kalifornijskim, powiedział: „To, jak różne części ciała szkarłupni odnoszą się do tych, które widzimy u innych grup zwierząt, przez cały okres badań pozostawało dla naukowców tajemnicą”. „U ich dwustronnych krewnych ciało jest podzielone na głowę, tułów i ogon” – stwierdził Southampton w oświadczeniu. „Jednak patrząc na rozgwiazdę, nie można zobaczyć, jak te części mają się do obustronnych ciał zwierząt”.

Naukowcy odpowiedzialni za to nowe badanie wykorzystali mikrotomografię komputerową do uchwycenia niespotykanego dotąd trójwymiarowego spojrzenia na kształt i strukturę gwiazd morskich.

Następnie członkowie zespołu wykorzystali zaawansowane techniki analityczne, aby określić, gdzie w tkankach dochodzi do ekspresji genów i zidentyfikować określone sekwencje RNA w komórkach. Ekspresja genów ma miejsce, gdy informacja zawarta w genie staje się aktywna.

Specyficzne markery molekularne działają jak plany ciała, kierując każdą komórkę do obszaru ciała, do którego należy.

„Jeśli zedrzemy skórę ze zwierzęcia i przyjrzymy się genom zaangażowanym w odróżnienie głowy od ogona, te same geny kodują te obszary ciała we wszystkich grupach zwierząt” – powiedział Lowe. „Więc zignorowaliśmy anatomię i zapytaliśmy: czy pod całą tą dziwną anatomią kryje się oś molekularna i jaka jest jej rola w tworzeniu pięciopromiennego ciała rozgwiazdy?”

Łącznie dane pozwoliły stworzyć trójwymiarową mapę, aby określić, gdzie geny ulegają ekspresji w miarę rozwoju i wzrostu gwiazd morskich. Zespołowi udało się zidentyfikować geny kontrolujące rozwój ektodermy rozgwiazdy, obejmującej jej skórę i układ nerwowy.

Sygnatury genetyczne związane z rozwojem głowy wykryto w gwiazdach morskich, zwłaszcza w centrum gwiazdy i w środku każdej kończyny. Jednak ekspresja genów w części tułowia i ogona była w dużej mierze nieobecna, co ujawniło, że gwiazdy morskie „mają najbardziej dramatyczny przykład oddzielenia obszarów głowy i tułowia, jaki znamy dzisiaj” – powiedział Formeri, który jest także badaczem Chan. Zuckerberg BioHub, organizacja badawcza non-profit z siedzibą w San Francisco.

Badania sfinansował Chan Zuckerberg BioHub, którego współzałożycielami w 2021 r. byli dr Priscilla Chan i Mark Zuckerberg, a także NASA, National Science Foundation i Leverhulme Fund.

„Kiedy porównaliśmy ekspresję genów u rozgwiazd z ekspresją genów innych grup zwierząt, takich jak kręgowce, okazało się, że brakuje ważnej części budowy ciała” – stwierdził Thompson. „Geny normalnie zaangażowane w kształtowanie tułowia zwierzęcia nie ulegają ekspresji w ektodermie. Cały plan ciała szkarłupni wydaje się mniej więcej odpowiadać głowie innych grup zwierząt.

Gwiazdy morskie i inne szkarłupnie prawdopodobnie rozwinęły swoje unikalne plany budowy ciała, gdy ich przodkowie stracili obszar tułowia, umożliwiający im poruszanie się i odżywianie inaczej niż inne zwierzęta.

„Nasze badania mówią nam, że plan ciała szkarłupni ewoluował w bardziej złożony sposób, niż wcześniej sądzono, a wciąż jest wiele do odkrycia na temat tych interesujących stworzeń” – powiedział Thompson. „Jako osoba, która badała te zwierzęta przez ostatnie 10 lat, odkrycia te radykalnie zmieniły sposób, w jaki myślę o tej grupie zwierząt”.

Badania na zwierzętach skupiają się głównie na tych, które są podobne do ludzi. Jednak badanie grup takich jak szkarłupnie mogłoby rozwiązać niektóre z najbardziej złożonych tajemnic ewolucji życia na Ziemi.

„Większość zwierząt nie ma niesamowitego układu nerwowego i polują tam na swoją ofiarę. To skromne zwierzęta, które żyją w norach w oceanie. Ludzi na ogół nie pociągają te zwierzęta, a mimo to prawdopodobnie odzwierciedlają początek życia. – stwierdził Lowe.

Zrozumienie ewolucji zwierząt, takich jak gwiazdy morskie, może również pozwolić na wgląd w różnorodne sposoby, w jakie różne gatunki utrzymują swoje zdrowie.

„Z pewnością trudno jest pracować z organizmami, które nie są często badane” – współautor badania Daniel Rokhsar, profesor genetyki, genomiki, ewolucji i rozwoju na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley oraz badacz w Chan Zuckerberg BioHub, – napisano w oświadczeniu.

„Ale jeśli wykorzystamy okazję do zbadania niezwykłych zwierząt, które działają w nietypowy sposób, oznacza to, że poszerzamy nasze spojrzenie na biologię, co ostatecznie pomoże nam rozwiązać problemy środowiskowe i biomedyczne”.