Obcy w głębinach

Obcy w głębinach

Kojarzycie film Głębia Jamesa Camerona z 1989 roku? Opowiadał on historię o kontakcie ludzi z obcymi, inteligentnymi formami życia, które tkwiły na dnie oceanu. Istoty te Cameron wzorował na stworzeniach zamieszkujących głębiny, wyposażając je w przeźroczyste ciała i zdolność do bioluminescencji:

Kadr z filmu Głębia (1989), reż, James Cameron

Kadr z filmu Głębia (1989), reż, James Cameron

Choć trudno wskazać konkretne zwierzę, które mogło być pierwowzorem (obcy Camerona wydają się być raczej amalgamatem wielu stworzeń), dla mnie zawsze najbardziej oczywiste były podobieństwa do zwierząt zwanych żebropławami:

Żebropławy stanowiły od dawna sporą zagadkę dla biologii, ponieważ trudno było ustalić ich pokrewieństwo z innymi grupami zwierząt. Ostatnie odkrycia sugerują jednak, że pod pewnymi względami są naprawdę obce, choć oczywiście nie w takim sensie jak istoty z filmu Jamesa Camerona. Odkrycia te, same w sobie niezmiernie fascynujące, odsłonią swoje znaczenie tylko, jeśli najpierw zrozumiemy kontekst, w jakim ich dokonano. Kontekstem tym jest wspomniana problematyczność pokrewieństwa z innymi grupami zwierząt. Na początek kilka słów o tym, jakie główne grupy zwierząt żyją dzisiaj na Ziemi.

Zwierzęta

Przez bardzo długi czas to gąbki uważane były za  grupę siostrzaną w stosunku do pozostałych zwierząt. W narzeczu systematyków i ewolucjonistów "grupa siostrzana" oznaczała grupę, która jako odrębna gałąź zwierzęcego drzewa ewolucyjnego wykształciła się, już wtedy, gdy na Ziemi wciąż żył wspólny przodek wszystkich pozostałych grup:

Jeśli gąbki są naprawdę grupą siostrzaną w stosunku do pozostałych zwierząt, znaczy to, że były odrębną linią rozwojową w momencie, gdy pozostałe zwierzęta wciąż stanowiły jedną, niezróżnicowaną linię rozwojową.

Jeśli gąbki są naprawdę grupą siostrzaną w stosunku do pozostałych zwierząt, znaczy to, że były odrębną linią rozwojową w momencie, gdy pozostałe zwierzęta wciąż stanowiły jedną, niezróżnicowaną linię rozwojową.

Gąbki zbudowane są z komórek osadzonych na powierzchni oraz zawieszonych w galaretowatej masie, która z kolei rozwieszona jest na szklanym, wapniowym lub szklano-białkowym szkielecie. To właśnie wysuszone szkielety niektórych gatunków, używane kiedyś jako przybory higieniczne, dały nazwę całej grupie tych zwierząt.

Gąbki nie posiadają narządów zmysłów, komórek nerwowych ani mięśni, ich ciała są po prostu rozbudowanymi sieciami kanalików wyściełanych komórkami wyposażonymi w wici. Ruch wici przepycha wodę przez te kanaliki, a komórki wyłapują przepływające w ten sposób cząsteczki pokarmu. W przeciwieństwie do pozostałych zwierząt, gąbki są z natury asymetryczne, ich kształty dopasowują się do bieżących warunków, w których rośnie konkretna gąbka.

Gąbki są też na tyle prymitywne, że można je rozdzielić na pojedyncze komórki, które pozostawione samym sobie, potrafią odtworzyć cały organizm. Cechy tej nie posiadają żadne inne zwierzęta.

Kolejną grupą zwierząt są parzydełkowce, do których należą takie stworzenia jak meduzy, polipy tworzące rafy koralowe, czy wolno żyjące polipy w rodzaju stułbi, którą znaleźć można także w polskich stawach i jeziorach. Parzydełkowce są dość prymitywne, ale mają już cechy wysoko uorganizowanych zwierząt nieobecne u gąbek. Ich ciało jest promieniście symetryczne, zbudowane jest ze zróżnicowanych warstw komórek, które z kolei występują w wyspecjalizowanych formach (takich jak komórki nabłonkowo-mięśniowe czy komórki nerwowe). Ich układ nerwowy jest jednak tylko dość prymitywną siecią nerwową przenoszącą sygnały między różnymi częściami ciała, w której nie występują żadne nadrzędne ośrodki (zwoje nerwowe czy mózgi), choć niektóre parzydełkowce posiadają proste narządy zmysłowe.

Ilustracja Ernsta Haeckela uwypuklająca promienistą symetrię meduzy, która jest przedstawicielem parzydełkowców.

Ilustracja Ernsta Haeckela uwypuklająca promienistą symetrię meduzy, która jest przedstawicielem parzydełkowców.

Posiadają one także prawdziwy układ pokarmowy, choć zbudowany inaczej niż u większości innych zwierząt. Otwór gębowy parzydełkowców prowadzi do jamy chłonącej, która jest ślepo zakończona. Po strawieniu pokarmu parzydełkowce muszą zwymiotować resztki, bo mają tylko jeden otwór pełniący funkcję wejścia i wyjścia dla pokarmu.

Jedną z charakterystycznych cech parzydełkowców są parzydełka, czyli komórki produkujące jad, wyposażone w miniaturowe ostrza, które są wykorzystywane przez te zwierzęta do chwytania pokarmu i obrony. Pisałem o nich przy okazji notki o pewnych niezwykłych ślimakach.

Ilustracja: Circa24, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-SA 3.0.

Ilustracja: Circa24, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-SA 3.0.

Płaskowce to bardzo ciekawa grupa zwierząt, na pierwszy rzut oka niezwykle prymitywna. Mają postać cienkich płytek zbudowanych z dwóch warstw niezróżnicowanych komórek. Ich ciała są długie na maksymalnie kilka milimetrów. Nie posiadają zróżnicowanych tkanek, wiec pod tym względem przypominają gąbki. Ich komórki formują jednak połączenia, które wydają się działać jak protosynapsy (synapsy to nazwa wyspecjalizowanych połączeń między komórkami nerwowymi lub nerwowymi i mięśniowymi, będzie o nich mowa jeszcze później).

Ich genom, który jest zresztą najmniejszym znanym genomem zwierzęcym, zawiera jednak geny związane z regulacją rozwoju obecne u bardziej złożonych stworzeń. Analiza genomu mitochondrialnego sugerowała, że zwierzęta te są być może najbliżej podstawy drzewa rodowego zwierząt (są grupą siostrzaną w stosunku do innych zwierząt), ale później przeprowadzona analiza genomu jądrowego zasugerowała, że są one bliżej spokrewnione z parzydełkowcami i zwierzętami dwubocznie symetrycznymi, niż z gąbkami. W takim ujęciu byłyby wtórnie uproszczoną grupą, która utraciła wiele bardziej złożonych struktur swoich przodków. Nie byłoby to aż tak dziwne, podobnych przykładów zjawiska, gdy określony tryb życia sprawia, że dany organizm ulega swoistemu uproszczeniu, biologia zna wiele, jest to szczególnie częste w przypadku pasożytów.

Ostatnią dużą grupą zwierząt są zwierzęta dwubocznie symetryczne. Należą tu organizmy tak różne jak tasiemce i ich wolno żyjący kuzyni zwani wirkami, jak glisty, jak dżdżownice i inne pierścienice, jak wszelkie stawonogi (pajęczaki, skorupiaki i owady), mięczaki ze ślimakami i ośmiornicami na czele, wreszcie strunowce, czyli grupa obejmująca ryby, płazy, gady, ptaki i ssaki, w tym ludzi. Należą tam też inne, mniej znane grupy.

Zwierzęta te, jak wskazuje nazwa, są zasadniczo dwubocznie symetryczne (to znaczy ich ciało można przedzielić na dwie lustrzane połowy), choć niektóre, jak na przykład rozgwiazdy, wtórnie uzyskały symetrię promienistą.

Mają też złożone ciała, ze zróżnicowanymi tkankami i organami. Ich układy pokarmowe zaczynają się ustami i kończą odbytem (za wyjątkiem układu pokarmowego płazińców takich jak wirki, który jest bardziej skomplikowaną, rozgałęzioną wariacją jamy chłonąco-trawiącej parzydełkowców), tak więc wymiotowanie nie jest u nich dominującym sposobem pozbywania się niestrawionych resztek pokarmu. Ich komórki nerwowe są zwykle zorganizowane w złożone struktury (u najprymitywniejszych są to drabinki nerwowe, u najbardziej złożonych modułowo zbudowane mózgi).

Tak wygląda, w ogólnych zarysach, królestwo zwierząt. Gdzie w nim znajduje się miejsce dla żebropławów?

Systematyka żebropławów

Żebropławy, ilustracja: Ernst Haeckel.

Żebropławy, ilustracja: Ernst Haeckel.

Zacznijmy od tego, że większość starych systemów klasyfikacyjnych łączyła żebropławy wraz z parzydełkowcami w jedną grupę – jamochłonów. Nazwa ta związana była z ich układem pokarmowym. Jak wspominałem pisząc o parzydełkowcach, posiadają one jeden otwór pełniący jednocześnie funkcję gęby i odbytu, który prowadzi do jamy chłonąco-trawiącej. Stąd nazwa tamtej kiedyś wyróżnianej grupy.

Ale nawet pod względem tego jednego kryterium klasyfikacja żebropławów była dyskusyjna. Bo choć nie posiadają one typowego odbytu, oprócz otworu gębowego, na drugim końcu ciała, posiadają dwa tak zwane pory analne, przez które na zewnątrz wydostaje się przynajmniej część niestrawionych resztek pokarmu (choć większość jest wymiotowana ustami jak u parzydełkowców). Stanowią one ujścia rozgałęzień jamy chłonąco-trawiącej zwiększających powierzchnię, na której następuje wchłanianie substancji odżywczych z trawionego pokarmu (te rozgałęzienia przypominają trochę rozgałęzione jamy chłonące wspomnianych wcześniej wirków).

Warto też wspomnieć, że niektóre żebropławy posiadają rodzaj zębów, to znaczy usztywnionych wiązek wici, którymi potrafią odgryzać ciała innych żebropławów. Mówił o tym narrator w filmie na początku notki, gdzie proces ten był zresztą pokazany na nagraniu. To dość zdumiewające, bo żaden parzydełkowiec nie posiada ani możliwości gryzienia, ani usztywnionych, niezbędnych do tego struktur.

Żebropławy wyróżniają się i innymi cechami. Choć podobnie jak parzydełkowce są zasadniczo promieniście symetryczne, ich ciała wykazują zaczątki symetrii dwubocznej, a nawet organizacji grzbieto-brzusznej, a wiec cech bardziej złożonych zwierząt.

Wszystkie zwierzęta dwubocznie symetrycznie mają ciała zbudowane z trzech warstw komórek, to jest zewnętrznej, nabłonkowej ektodermy, wewnętrznej, także nabłonkowej endodermy, oraz środkowej mezodermy, z której formują się między innymi mięśnie zapewniające zwierzęciu możliwość ruchu.

Schematyczny przekrój prostego zwierzęcia dwubocznie symetrycznego pokazujący trzy warstwy komórek.

Schematyczny przekrój prostego zwierzęcia dwubocznie symetrycznego pokazujący trzy warstwy komórek.

Parzydełkowce tymczasem zbudowane są dwóch warstw, to jest ekto- i endodermy, między którymi znajduje się działająca jak szkielet hydrauliczny, ale pozbawiona mięśni, galaretowata warstwa zwana mezogleą. Jest to przejaw ich prymitywizmu.

Schematyczny przekrój parzydełkowca ukazujący dwie warstwy komórek rozdzielone mezogleą.

Schematyczny przekrój parzydełkowca ukazujący dwie warstwy komórek rozdzielone mezogleą.

Żebropławy i pod tym względem są nietypowe. Pomiędzy ekto- i endodermą mają warstwę, która zasadniczo wygląda i funkcjonuje jak mezoglea parzydełkowców, ale ich komórki mięśniowe posiadają pewne cechy komórek wywodzących się mezodermy (w tym charakterystyczne dla mezodermy markery molekularne). Z tego powodu trwają spory czy można u żebropławów mówić już o zaczątkach tej właśnie warstwy ciała.

Mam nadzieję, że ogólny wzorzec jest już jasny: żebropławy trochę przypominają parzydełkowce, ale pod pewnymi względami wyglądają na bardziej zaawansowane strukturalnie. Co więcej, posiadają też unikalne cechy, które odróżniają je od wszystkich innych zwierząt. Tak jak parzydełkowce posiadają specjalne komórki do chwytania i nieuruchomiania pokarmu, ale nie są to parzydełka, tylko kolloblasty, które zamiast małych ostrzy wstrzykujących truciznę mają postać zwiniętych kłębków kleju unieruchamiającego ofiary.

Jak w wielu podobnych przypadkach, gdy pozycja systematyczna danych organizmów jest niejasna, istotny postęp mógł zostać osiągnięty dzięki analizom na poziomie molekularnym. Bo choć anatomia czy fizjologia może kłamać, ślady zawarte w sekwencji genów i strukturze białek organizmów są zazwyczaj znacznie bardziej jednoznaczne i trwałe.

Grupa siostrzana

Pierwsza duża praca, której autorzy zgromadzili liczne dowody na to, że żebropławy są grupą siostrzaną w stosunku do pozostałych zwierząt, opublikowana została pod koniec zeszłego roku w magazynie Science. Autorzy The Genome of the Ctenophore Mnemiopsis leidyi and Its Implications for Cell Type Evolution zsekwencjonowali genom żebropława Mnemiopsis leidyi, a następnie porównali go z genomami innych zwierząt przynależących do różnych grup. Okazało się, że ich analiza sytuuje tego żebropława jako przedstawiciela grupy siostrzanej wszystkich innych zwierząt, w tym gąbek i płaskowców.

It appears that much of the genetic machinery necessary for a nervous system was present in the ancestor of all extant animals. This pattern suggests that a less elaborate nervous system was present in the metazoan ancestor and was secondarily reduced in placozoans and sponges. The alternative is that neural cell types arose independently in both the ctenophore lineage and the lineage that led to cnidarians and bilaterians, which might explain some of the unique aspects of the ctenophore nervous system. Resolving these alternative hypotheses will require functionally characterizing the nervous system–related genes in ctenophores and sponges.
— Ryan et al.

To było wielkie odkrycie, bo wskazywało, że nasze wyobrażenia o tym jak powstawały wysoko uorganizowane zwierzęta mogą być zupełnie błędne. Jednym ze spostrzeżeń autorów pracy było, że badany żebropław posiadał geny związane z rozwojem komórek nerwowych, których występowanie stwierdzono także u jednego gatunku gąbki. Autorzy wysnuli z tego wniosek, że być może wspólni przodkowie gąbek i żebropławów (oraz innych zwierząt) posiadali prymitywne komórki nerwowe, które zostały następnie utracone przez gąbki i płaskowce. Zauważyli jednak, że możliwe jest także inne wytłumaczenie, na które, jak to ujęli, wskazują unikalne cechy układu nerwowego żebropławów, mianowicie, że żebropławy wykształciły układ nerwowy niezależnie od innych zwierząt. Kwestia ta, w ich opinii, pozostała otwarta.

Układy nerwowe

Although two distinct nervous systems are well recognized in ctenophores, many bilaterian neuron-specific genes and genes of ‘classical’ neurotransmitter pathways either are absent or, if present, are not expressed in neurons. Our metabolomic and physiological data are consistent with the hypothesis that ctenophore neural systems, and possibly muscle specification, evolved independently from those in other animals.
— Moroz et al.

Kilka dni temu, tym razem w piśmie Nature, pojawiła się praca rzucająca nowe światło właśnie na te zagadnienia. Jest ona dostępna w systemie Open Acces, możecie więc przeczytać ją sami. „The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems” skupia się głównie na kwestii ewolucji układu nerwowego zwierząt oglądanej przez pryzmat porównania tego układu u żebropławów i innych zwierząt. Wykorzystuje w tym celu metody biologii molekularnej, takie jak sekwencjonowanie i porównywanie genomów oraz analiza ekspresji genów.

Autorzy tej pracy przyjrzeli się genomowi innego żebropława – Pleurobrachia bachei – potwierdzając ustalenia z zeszłego roku. Żebropławy są grupą siostrzaną w stosunku do pozostałych zwierząt, zaś stosunki w obrębie całego królestwa zwierząt przedstawiają się następująco (wiciowce kołnierzykowate, należące do królestwa Protista, są tu użyte jako grupa siostrzana dla zwierząt w ogóle):

Źródło ilustracji: Leonid et al. The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems. Nature doi:10.1038/nature13400. Użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC-SA 3.0.

Źródło ilustracji: Leonid et al. The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems. Nature doi:10.1038/nature13400. Użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC-SA 3.0.

Autorzy dość gruntownie przebadali geny związane z funkcjonowaniem układu nerwowego. Uzyskane przez nich wyniki są zdumiewające.

Żebropławy, podobnie jak parzydełkowce, posiadają siateczkowaty układ nerwowy. Jest to jednak prawdopodobnie podobieństwo powierzchowne, przykład tak zwanej konwergencji, gdy podobne struktury są wytwarzane niezależnie (przykładem konwergencji jest na przykład podobieństwo kształtów delfinów i ryb). Maszyneria molekularna stanowiąca podstawę funkcjonowania i rozwoju układów nerwowych tych grup okazują się zupełnie inne. Co więcej, ponieważ układy nerwowe parzydełkowców funkcjonują, przynajmniej na najbardziej podstawowym, biochemicznym i genetycznym poziomie, tak jak układy zwierząt dwubocznie symetrycznych, wyniki tej nowej pracy dają silne dowody do ręki tych, którzy uważają, że żebropławy wytworzyły układ nerwowy oraz, być może, inne złożone struktury, niezależnie od pozostałych zwierząt.

Weźmy cząsteczki zwane neuroprzekaźnikami. Neurony większości zwierząt, w tym nas, nie są ze sobą bezpośrednio połączone. Sygnał w obrębie neuronu ma postać impulsu elektrycznego. Gdy jednak jest przekazywany z jednego neuronu do drugiego, zachodzi to w obrębie specjalnego połączenia (synapsy), w którym sygnał elektryczny zamieniany jest na sygnał chemiczny, mający postać chmury cząsteczek uwalnianych przez jedną komórkę i odbieranych przez drugą, gdzie wzbudzają one nowy impuls elektryczny:

Owe cząsteczki to właśnie neuroprzekaźniki (neurotransmitery). Różne obszary układu nerwowego,a także obszary, w których komórki nerwowe kontaktują się z innymi typami komórek, na przykład komórkami mięśniowymi, korzystają z całego spektrum neuroprzekaźników, takich jak serotonina, acetylocholina, dopamina, noradrenalina, adrenalina, oktopamina, histamina czy glicyna.

Żebropławy nie korzystają z żadnego ze wskazanych. Zamiast tego, głównym neuroprzekaźnikiem u żebropławów jest kwas L-glutaminowy. Co więcej, analiza genomu wykazała, że u żebropławów w ogóle nie ma większości genów potrzebnych do syntezy neuroprzekaźników wykorzystywanych przez parzydełkowce i zwierzęta dwubocznie symetryczne.

Genów tych nie ma też rzecz jasna u gąbek, u których w ogóle nie funkcjonują komórki nerwowe, oraz nie ma żadnych połączeń w rodzaju synaps.

Autorzy dokonali też innej interesującej obserwacji, mianowicie, że co prawda żebropławy posiadają pewne markery neuronalne właściwe parzydełkowcom i zwierzętom dwubocznie symetrycznym, ale u żebropławów są one aktywnie w komórkach niezwiązanych z układem nerwowym, co znaczy, że zachowały się prawdopodobnie z czasów, gdy pełniły w organizmach inne funkcje.

Prawdziwi obcy

Nie będę się już rozpisywał o tej drugiej pracy więcej, kto ciekawy dalszych szczegółów może sięgnąć po oryginał. To co prawda naukowa publikacja, ale przeciętnie rozgarnięty czytelnik wyposażony w Wikipedię i jako taką znajomości angielskiego nie powinien mieć problemów z jej zrozumieniem.

Ja tymczasem przejdę do konkluzji. Autorzy pracy z 2013 roku wnioskowali, na podstawie podobieństwa kilku genów u badanego przez nich żebropława i pewnej gąbki, że przodek żebropławów i reszty zwierząt miał już jakiś układ nerwowy, później utracony u gąbek i płaskowców. Zwracali jednak uwagę, że układ nerwowy żebropławów najwyraźniej nabył pewnych unikalnych cech nieobecnych u pozostałych zwierząt.

Autorzy pracy z 2014 roku nie wykluczają tej hipotezy, ale zwracają uwagę, że wymaga przyjęcia ona, że w ewolucji zachodziło wiele niezależnych, mało prawdopodobnych zdarzeń, takich jak wielokrotna utrata różnych elementów związanych z funkcjonowaniem i rozwojem układu nerwowego u gąbek i płaskowców, oraz szczególnie osobliwie wyglądająca utrata takowych u żebropławów z późniejszym odtworzeniem tych elementów w nowej postaci:

Źródło ilustracji: Leonid et al. The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems. Nature doi:10.1038/nature13400. Użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC-SA 3.0.

Źródło ilustracji: Leonid et al. The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems. Nature doi:10.1038/nature13400. Użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC-SA 3.0.

Tymczasem, jeśli przyjmiemy hipotezę, że układ nerwowy ewoluował niezależnie dwukrotnie, u żebropławów i przodka parzydełkowców oraz zwierząt dwubocznie symetrycznych, obraz prezentuje się znacznie bardziej klarownie:

Źródło ilustracji: Leonid et al. The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems. Nature doi:10.1038/nature13400. Użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC-SA 3.0.

Źródło ilustracji: Leonid et al. The ctenophore genome and the evolutionary origins of neural systems. Nature doi:10.1038/nature13400. Użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY-NC-SA 3.0.

Jeśli hipoteza ta potwierdzi się w wyniku dalszych badań, obraz ewolucji żebropławów prezentuje się naprawdę niezwykle, bo pokazują one, co ewolucja może wyprodukować, gdy tworzy organizmy o typowo zwierzęcym, aktywnym trybie życia bez wykorzystywania planów budowy wspólnych wszystkim innym zwierzętom. Krótko mówiąc, ponieważ przodkowie żebropławów i innych zwierząt byli wysoce prymitywni, żebropławy to prawdziwi obcy w głębinach, gatunki, które po swojemu, niezależnie wynalazły wiele z przystosowań właściwych innym złożonym zwierzętom. W tym sensie są najbliższe temu, co moglibyśmy zobaczyć widząc zwierzęcych przedstawicieli jakiejś obcej biosfery, która swoje adaptacje tworzyłaby w oderwaniu od rozwiązań znanych z Ziemi.

Nie zrozumcie mnie źle, żebropławy to wciąż organizmy z tej planety, ale jako duże, skomplikowane zwierzęta opracowały (w sensie ewolucyjnym) swoje plany budowy w oderwaniu od pozostałych gatunków.

To zaś umieszcza je, moim zdaniem, bardzo wysoko na liście najbardziej zajebistych i niezwykłych stworzeń na Ziemi. Jak zwykle, pomaga w tym bycie prymitywnym.

Jeśli podobała ci się ta notka, rozważ śledzenie bloga na Facebooku.

Ilustracja tytułowa wykorzystuje fotografię z domeny publicznej.

Zabójcze grzyby i człowiek

Zabójcze grzyby i człowiek

Ziemia 2

Ziemia 2