Από πού προέρχονται τα ζώα
Για δισεκατομμύρια χρόνια, τα μονοκύτταρα πλάσματα είχαν τον πλανήτη για τον εαυτό τους, να επιπλέει στους ωκεανούς σε μοναχική ευδαιμονία. Μερικοί μικροοργανισμοί επιχείρησαν πολυκύτταρες διευθετήσεις, σχηματίζοντας μικρά φύλλα ή νήματα κυττάρων. Όμως αυτά τα εγχειρήματα έφτασαν σε αδιέξοδα. Το ενιαίο κύτταρο κυβέρνησε τη γη.
Στη συνέχεια, περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια χρόνια μετά την εμφάνιση των μικροβίων, η ζωή έγινε πιο περίπλοκη. Τα κύτταρα οργανώθηκαν σε νέες τρισδιάστατες δομές. Άρχισαν να μοιράζουν τον κόπο της ζωής, έτσι ώστε ορισμένοι ιστοί ήταν υπεύθυνοι για τη μετακίνηση, ενώ άλλοι κατάφερναν να τρώνε και να χωνέψουν. Ανέπτυξαν νέους τρόπους για τα κύτταρα να επικοινωνούν και να μοιράζονται πόρους. Αυτά τα πολύπλοκα πολυκύτταρα πλάσματα ήταν τα πρώτα ζώα και είχαν μεγάλη επιτυχία. Αμέσως μετά, πριν από περίπου 540 εκατομμύρια χρόνια, η ζωή των ζώων ξέσπασε, διαφοροποιούμενη σε ένα καλειδοσκόπιο μορφών σε αυτό που είναι γνωστό ως έκρηξη της Κάμβριας. Τα πρωτότυπα για κάθε σχέδιο σώματος ζώου εμφανίστηκαν γρήγορα, από θαλάσσια σαλιγκάρια μέχρι αστερίες, από έντομα μέχρι καρκινοειδή. Κάθε ζώο που έζησε από τότε ήταν μια παραλλαγή σε ένα από τα θέματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.
Πώς έκανε η ζωή αυτό το θεαματικό άλμα από την μονοκύτταρη απλότητα στην πολυκύτταρη πολυπλοκότητα; Η Nicole King έχει γοητευτεί από αυτή την ερώτηση από τότε που ξεκίνησε την καριέρα της στη βιολογία. Τα απολιθώματα δεν προσφέρουν ξεκάθαρη απάντηση:Τα μοριακά δεδομένα δείχνουν ότι το "Urmetazoan", ο πρόγονος όλων των ζώων, εμφανίστηκε για πρώτη φορά κάπου μεταξύ 600 και 800 εκατομμύρια χρόνια πριν, αλλά τα πρώτα ξεκάθαρα απολιθώματα ζωικών σωμάτων δεν εμφανίζονται μέχρι το 580 εκατομμύρια χρόνια πριν. Έτσι ο King στράφηκε στα choanoflagellates, μικροσκοπικά υδρόβια πλάσματα των οποίων ο σωματότυπος και τα γονίδια τα τοποθετούν ακριβώς δίπλα στη βάση του γενεαλογικού δέντρου των ζώων. «Τα choanoflagellates είναι κατά τη γνώμη μου ξεκάθαρα ο οργανισμός που πρέπει να κοιτάξετε εάν κοιτάτε τη ζωική προέλευση», είπε ο King. Σε αυτούς τους οργανισμούς, που μπορούν να ζουν είτε ως μεμονωμένα κύτταρα είτε ως πολυκύτταρες αποικίες, έχει βρει μεγάλο μέρος της μοριακής εργαλειοθήκης που είναι απαραίτητη για την εκτόξευση της ζωής των ζώων. Και προς έκπληξή της, διαπίστωσε ότι τα βακτήρια μπορεί να έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην έναρξη αυτής της νέας εποχής.
Σε μια μακροσκελή εργασία που θα δημοσιευθεί σε έναν ειδικό τόμο του Cold Spring Harbor Perspectives in Biology τον Σεπτέμβριο, ο King εκθέτει την υπόθεση για την επίδραση των βακτηρίων στην ανάπτυξη της ζωικής ζωής. Αρχικά, τα βακτήρια τάιζαν τους αρχαίους προγόνους μας και αυτό πιθανότατα απαιτούσε από αυτά τα πρωτόζωα να αναπτύξουν συστήματα για να αναγνωρίσουν τα καλύτερα βακτηριακά θηράματα και να τα συλλάβουν και να τα καταβροχθίσουν. Όλοι αυτοί οι μηχανισμοί επαναπροσδιορίστηκαν για να ταιριάζουν στην πολυκύτταρη ζωή των πρώτων ζώων. Η κριτική του King προστίθεται σε ένα ευρύ κύμα έρευνας που βάζει τα βακτήρια στο επίκεντρο της ιστορίας της ζωής των ζώων. «Ήμασταν υποχρεωμένοι να αλληλεπιδράσουμε στενά με τα βακτήρια πριν από 600 εκατομμύρια χρόνια», είπε ο Κινγκ, τώρα εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και ερευνητής στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes. «Ήταν εδώ πρώτοι, είναι άφθονοι, είναι κυρίαρχοι. Εκ των υστέρων θα έπρεπε να το περιμέναμε αυτό."
Πολυκυτταρικό κίνητρο
Αν και τείνουμε να θεωρούμε δεδομένη την άνοδο των ζώων, είναι εύλογο να αναρωτηθούμε γιατί εμφανίστηκαν ποτέ, δεδομένων των δισεκατομμυρίων ετών επιτυχίας των μονοκύτταρων οργανισμών. «Τα τελευταία 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, βακτήρια υπάρχουν και άφθονα», δήλωσε ο Michael Hadfield, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης, Manoa. "Τα ζώα δεν εμφανίστηκαν ποτέ πριν από 700 ή 800 εκατομμύρια χρόνια."
Οι τεχνικές απαιτήσεις της πολυκυτταρικότητας είναι σημαντικές. Τα κύτταρα που δεσμεύονται να ζήσουν μαζί χρειάζονται ένα εντελώς νέο σύνολο εργαλείων. Πρέπει να βρουν τρόπους να μένουν μαζί, να επικοινωνούν και να μοιράζονται οξυγόνο και φαγητό. Χρειάζονται επίσης ένα κύριο αναπτυξιακό πρόγραμμα, έναν τρόπο να κατευθύνουν συγκεκριμένα κύτταρα ώστε να αναλάβουν εξειδικευμένες εργασίες σε διαφορετικά μέρη του σώματος.
Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, η μετάβαση στην πολυκυτταρικότητα συνέβη χωριστά έως και 20 διαφορετικούς χρόνους σε γενεαλογίες από τα φύκια στα φυτά στους μύκητες. Όμως τα ζώα ήταν τα πρώτα που ανέπτυξαν πολύπλοκα σώματα, αναδεικνύοντας το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα πρώιμης πολυκυτταρικής επιτυχίας.
Για να καταλάβει γιατί αυτό μπορεί να συνέβη με τον τρόπο που συνέβη, ο King άρχισε να μελετά τα choano flagellates, τους πιο κοντινούς συγγενείς με τα ζώα, σχεδόν πριν από 15 χρόνια ως μεταδιδάκτορας στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison. Τα χοανομαστιγώματα δεν είναι τα πιο χαρισματικά πλάσματα, που αποτελούνται από μια οβάλ μάζα εξοπλισμένη με ένα ενιαίο μαστίγιο σαν ουρά που ωθεί τον οργανισμό μέσα στο νερό και του επιτρέπει επίσης να φάει. Η ουρά, που χτυπά μπρος-πίσω, διοχετεύει ένα ρεύμα σε ένα άκαμπτο, κολάρο περιθώριο λεπτών κλώνων της κυτταρικής μεμβράνης. Τα βακτήρια παγιδεύονται στο ρεύμα και κολλάνε στο κολάρο και το choano τα καταπίνει.
Αυτό που κίνησε το ενδιαφέρον του King για τα choanoflagelates ήταν η ευελιξία στον τρόπο ζωής τους. Ενώ πολλά ζουν ως μεμονωμένα κύτταρα, μερικά μπορούν επίσης να σχηματίσουν μικρές πολυκύτταρες αποικίες. Στο είδος Salpingoeca rosetta, το οποίο ζει στις παράκτιες εκβολές ποταμών, το κύτταρο προετοιμάζεται να διαιρεθεί, αλλά σταματά πριν να χωριστεί, αφήνοντας δύο θυγατρικά κύτταρα συνδεδεμένα με ένα λεπτό νήμα. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται, δημιουργώντας ροζέτες ή σφαίρες που περιέχουν έως και 50 κύτταρα στο εργαστήριο. Αν όλα αυτά ακούγονται οικεία, υπάρχει ένας λόγος για αυτό - τα έμβρυα ζώων αναπτύσσονται από ζυγώτες με τον ίδιο τρόπο και οι σφαιρικές αποικίες χοανομαστιγωτών μοιάζουν απίστευτα με έμβρυα ζώων πρώιμου σταδίου.
Όταν η King άρχισε να μελετά το S. rosetta, δεν μπορούσε να κάνει τα κύτταρα να σχηματίσουν σταθερά αποικίες στο εργαστήριο. Αλλά το 2006, ένας μαθητής σκόνταψε σε μια λύση. Προετοιμάζοντας τον προσδιορισμό της αλληλουχίας του γονιδιώματος, περιέλυσε μια καλλιέργεια με αντιβιοτικά και ξαφνικά άνθισε σε άφθονους ρόδακες. Όταν τα βακτήρια που είχαν συλλεχθεί μαζί με το αρχικό δείγμα προστέθηκαν ξανά σε μια εργαστηριακή καλλιέργεια μεμονωμένων χοανομαστιγωτών, σχημάτισαν επίσης αποικίες. Η πιθανή εξήγηση για αυτό το φαινόμενο είναι ότι η αντιβιοτική θεραπεία του μαθητή σκότωσε κατά λάθος ένα είδος βακτηρίων, επιτρέποντας σε ένα άλλο που το ανταγωνίζεται να ανακάμψει. Το έναυσμα για το σχηματισμό αποικιών ήταν μια ένωση που παρήχθη από ένα προηγουμένως άγνωστο είδος βακτηρίου Algoriphagus που τρώει το S. rosetta.
Το S. rosetta φαίνεται να ερμηνεύει την ένωση ως ένδειξη ότι οι συνθήκες είναι ευνοϊκές για ομαδική ζωή. Ο King υποθέτει ότι κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να είχε συμβεί πριν από περισσότερα από 600 εκατομμύρια χρόνια, όταν ο τελευταίος κοινός πρόγονος όλων των ζώων ξεκίνησε το μοιραίο ταξίδι του προς την πολυκυτταρικότητα. «Η υποψία μου είναι ότι οι πρόγονοι των ζώων μπόρεσαν να γίνουν πολυκύτταροι, αλλά μπορούσαν να αλλάξουν εμπρός και πίσω με βάση τις περιβαλλοντικές συνθήκες», είπε ο Κινγκ. Αργότερα, η πολυκυτταρικότητα καθηλώθηκε στα γονίδια ως αναπτυξιακό πρόγραμμα.
Η επιμονή της King στη μελέτη αυτού του ταπεινού οργανισμού, που αγνοήθηκε από τους περισσότερους σύγχρονους βιολόγους, της έχει κερδίσει τον θαυμασμό πολλών από τους συναδέλφους της επιστήμονες (καθώς και μια διάσημη υποτροφία MacArthur). «Επέλεξε στρατηγικά έναν οργανισμό για να αποκτήσει μια εικόνα για την πρώιμη εξέλιξη των ζώων και τον μελέτησε συστηματικά», είπε η Νταϊάν Νιούμαν, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια στην Πασαντένα, η οποία μελετά πώς τα βακτήρια συνεξελίσσονται με το περιβάλλον τους. Η έρευνα του King προσφέρει μια συναρπαστική ματιά στο παρελθόν, ένα σπάνιο παράθυρο για το τι θα μπορούσε να συνέβαινε κατά τη διάρκεια αυτής της μυστηριώδους περιόδου πριν εμφανιστούν τα πρώτα απολιθωμένα ζώα. Η έρευνα είναι ένα «όμορφο παράδειγμα» του πώς τα βακτήρια διαμορφώνουν ακόμη και τις πιο απλές μορφές περίπλοκης ζωής, είπε ο Newman. «Μας υπενθυμίζει ότι ακόμη και σε αυτό το επίπεδο ανάπτυξης των ζώων, μπορείτε να περιμένετε ερεθίσματα από τον μικροβιακό κόσμο». Το σύστημα βακτηρίων στο S. rosetta μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί για να απαντήσει σε πιο συγκεκριμένες ερωτήσεις, όπως το όφελος της πολυκυτταρικότητας — μια ερώτηση που η King και οι συνεργάτες της στο Μπέρκλεϋ εργάζονται τώρα να απαντήσουν.
Φυσικά, μόνο και μόνο επειδή τα βακτήρια ενεργοποιούν τα σύγχρονα χοανομαστιγώματα στην ομαδική ζωή, αυτό δεν σημαίνει ότι είχαν την ίδια επίδραση στα πρώτα πρωτόζωα. Το εύρημα του King είναι «πραγματικά υπέροχο», είπε ο William Ratcliff, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα, ο οποίος πειραματικά προκαλεί τη ζύμη να σχηματίσει πολυκύτταρες αποικίες. «Νομίζω ότι κάνει μερικές από τις πιο ενδιαφέρουσες έρευνες για την προέλευση των ζώων». Όμως, προειδοποιεί, είναι πιθανό τα χοανομαστιγώματα να εξέλιξαν αυτόν τον μηχανισμό πολύ αφότου αποκλίνονταν από τα πλάσματα που έγιναν οι πρώτοι πρόγονοι των ζώων. «Δεν έχουμε σαφή εικόνα για το πότε εξελίχθηκε η βακτηριακή απόκριση», εξήγησε. "Είναι δύσκολο να γνωρίζουμε εάν κάτι συνέβη πριν από τη διάσπαση μεταξύ χοανομαστιγωτών και ζώων ή μετά."
«Νομίζω ότι υπάρχουν αρκετά στοιχεία που μας επιτρέπουν να υποθέσουμε ότι τα βακτήρια είχαν σημαντική επιρροή στη ζωική προέλευση – ήταν άφθονα, ποικίλα και ασκούσαν σημαντικές σηματοδοτικές επιρροές σε διάφορες ζωικές γενεαλογίες καθώς και σε μη ζώα», είπε ο Κινγκ. "Αλλά νομίζω ότι είναι πρόωρο να πούμε ποια ήταν η φύση αυτής της επιρροής."
Ένας ισχυρός υπαινιγμός ότι τα βακτήρια μπορεί να προκάλεσαν αυτή την αρχαία μετάβαση στην πολυκυτταρικότητα είναι ότι πολλά από τα πιο απλά ζώα του σήμερα διέπονται από μικροβιακά μηνύματα. Κοράλλια, θαλάσσια σκουπίδια, σφουγγάρια και σκουλήκια σωλήνων ξεκινούν τη ζωή ως προνύμφες που επιπλέουν στο νερό και άλλες ερευνητικές ομάδες έχουν δείξει ότι και αυτές ανταποκρίνονται σε ενώσεις που απελευθερώνονται από βακτήρια ως σήματα για να προσκολληθούν σε βράχους ή άλλες επιφάνειες και να μεταβούν σε μια νέα ζωή μορφή. Αν αυτό το είδος σχέσης είναι τόσο συνηθισμένο μεταξύ ζώων από τις πιο αρχαίες οικογένειες, φαίνεται εύλογο ότι τα πρώτα ζώα ήταν εξίσου συντονισμένα με τους βακτηριακούς γείτονές τους. Το να καταλάβουμε πώς, ακριβώς, τα βακτήρια πυροδοτούν αυτήν την απόκριση θα βοηθήσει να διευκρινιστεί αν έπαιξαν παρόμοιο ρόλο πριν από πολύ καιρό. «Ήταν μια ριζοσπαστική σκέψη για μένα όταν αρχίσαμε να το μελετάμε και τώρα δεν ξέρω γιατί είναι έκπληξη», είπε ο Κινγκ. "Όσο περισσότερο σκέφτομαι τις αλληλεπιδράσεις ξενιστή-μικροβίου, τόσο λιγότερο εκπλήσσομαι."
Η βιολογία των χοανομαστιγωτών μοιάζει με αυτή των ζώων με άλλους απροσδόκητους τρόπους, διαπίστωσε ο King. Το 2008 ηγήθηκε της ομάδας που δημοσίευσε το γονιδίωμα του Monosiga brevicollis, ενός choanoflagellate που δεν σχηματίζει αποικίες. Η αλληλουχία αποκάλυψε γονίδια για δεκάδες τμήματα πρωτεϊνών που εμφανίζονται επίσης σε πολυκύτταρα ζώα, όπου βοηθούν τα κύτταρα να κολλήσουν μεταξύ τους και επίσης καθοδηγούν την ανάπτυξη και τη διαφοροποίηση. Τι κάνουν στα μονοκύτταρα; Το έργο του King υποδηλώνει ότι προέκυψαν σε μονοκύτταρους οργανισμούς για να παρακολουθούν τις περιβαλλοντικές συνθήκες και να αναγνωρίζουν άλλα κύτταρα όπως τα βακτηριακά θηράματα. Στα πολυκύτταρα ζώα, οι γονιδιακές περιοχές βρήκαν νέους σκοπούς, όπως να επιτρέπουν στα κύτταρα να δίνουν σήμα το ένα στο άλλο. Τα μεμονωμένα κελιά χρησιμοποίησαν αυτά τα εργαλεία για να ακούσουν το περιβάλλον. Αργότερα, τα πρώτα κύτταρα που υιοθέτησαν έναν πολυκύτταρο τρόπο ζωής πιθανότατα επαναχρησιμοποίησαν τα ίδια συστήματα για να δώσουν προσοχή στα αδελφά τους κύτταρα, πρότεινε ο King.
Η ανακάλυψη του King για τα χοανομαστιγώματα είναι μόνο μία από τις πιο πρόσφατες γνώσεις σχετικά με τις στενές σχέσεις μεταξύ βακτηρίων και ζώων (ή, σε αυτήν την περίπτωση, οργανισμών που μοιάζουν με ζώα). Ιστορικά, τα φωτοσυνθετικά βακτήρια αντλούσαν οξυγόνο στους ωκεανούς για δισεκατομμύρια χρόνια, θέτοντας το υπόβαθρο για πολύπλοκη πολυκύτταρη ζωή. Και σύμφωνα με την ενδοσυμβιωτική θεωρία, που προτάθηκε τον 20ο αιώνα και τώρα είναι ευρέως αποδεκτή, τα μιτοχόνδρια μέσα σε κάθε ευκαρυωτικό κύτταρο ήταν κάποτε ελεύθερα βακτήρια. Κάποια στιγμή πριν από περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο χρόνια, εγκαταστάθηκαν μέσα σε άλλα κύτταρα σε μια συμβιωτική σχέση που διαρκεί σχεδόν σε κάθε ζωικό κύτταρο μέχρι σήμερα. Στο ρόλο τους ως δείπνου, τα βακτήρια πιθανότατα παρείχαν επίσης ακατέργαστο γενετικό υλικό για τα πρώτα ζώα, τα οποία πιθανώς ενσωμάτωσαν κομμάτια μικροβιακού DNA απευθείας στο δικό τους γονιδίωμα καθώς πέπταν τα γεύματά τους.
Αλλά η πλήρης ιστορία της σχέσης μικροβίου-ζώου είναι ακόμη ευρύτερη και βαθύτερη, υποστηρίζει η Margaret McFall-Ngai, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, και είναι μια ιστορία που μόλις αρχίζει να λέγεται. Κατά την άποψή της, τα ζώα πρέπει δικαίως να θεωρούνται οικοσυστήματα μικροβίων-ξενιστών. Πριν από αρκετά χρόνια ο McFall-Ngai, μαζί με τον Hadfield, συγκάλεσε μια ευρεία ομάδα αναπτυξιακών βιολόγων, οικολόγων, περιβαλλοντικών βιολόγων και φυσιολόγων, συμπεριλαμβανομένου του King, και τους ζήτησε να διατυπώσουν ένα μικροβιακό μανιφέστο - μια δήλωση βακτηριακής σημασίας. Η δημοσίευση, η οποία εμφανίστηκε στα τέλη του περασμένου έτους στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, αναφέρει στοιχεία από πολλές γωνιές της βιολογίας για να υποστηρίξει ότι η επίδραση των μικροβίων στην προέλευση, την εξέλιξη και τη λειτουργία των ζώων είναι διάχυτη και απαραίτητη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ζωή των ζώων εξελίχθηκε. "Εξελίχθηκε σε έναν κόσμο κορεσμένο με βακτήρια", είπε ο Hadfield.
Το εύρος και η σημασία της σχέσης ζώου-βακτηρίου υπερβαίνει κατά πολύ την ανάπτυξη μιας χούφτας αρχαίων υδρόβιων πλασμάτων όπως τα σφουγγάρια. Η έρευνα του ίδιου του McFall-Ngai δείχνει ότι τα βακτήρια είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη οργάνων στα καλαμάρια. Άλλοι έχουν βρει παρόμοιες συνεργασίες που διαμορφώνουν την ωρίμανση του ανοσοποιητικού συστήματος των ζώων, τα έντερα των ψαριών ζέβρας και των ποντικών, ακόμη και του εγκεφάλου των θηλαστικών. Ομοίως, τα βακτήρια είναι απαραίτητοι συνεργάτες στο πεπτικό σύστημα των πλασμάτων που κυμαίνονται από τους τερμίτες έως τους ανθρώπους. Η επίδραση των μικροβίων είναι ακόμη και εγγεγραμμένη στο γονιδίωμά μας:Πάνω από το ένα τρίτο των ανθρώπινων γονιδίων έχουν την προέλευσή τους στα βακτήρια. Αυτά και άλλα νέα ευρήματα σύντομα θα αλλάξουν θεμελιωδώς την κατανόησή μας για τη ζωή, προβλέπει ο McFall-Ngai:«Η βιολογία βρίσκεται σε επανάσταση».
Τελικά, ίσως τα ζώα να μην είναι τόσο ξεχωριστά. Εξάλλου, δεν θα ήταν τίποτα χωρίς τους μικροβιακούς φίλους τους. Και όπως αποκάλυψε η έρευνα του King, πολλά από αυτά που κάνουν τα ζώα που φαίνεται να τα κάνουν ενδιαφέροντα μπορούν επίσης να επιτευχθούν από choanoflagelates. Για αυτήν, αυτό δεν μειώνει κανένα από τα δύο. «Λατρεύω τα choano flagellates», είπε. «Είναι τόσο συναρπαστικοί. Βλέπω ότι κάνουν πολλά τα ίδια πράγματα με τα ζώα, και μπορώ να δω παραλληλισμούς μεταξύ της βιολογίας τους και της κυτταρικής βιολογίας των ζώων. Θα μπορούσα να τους παρακολουθώ για ώρες."
Διορθώθηκε στις 29 Ιουλίου 2014: Μια προηγούμενη έκδοση αυτού του άρθρου ανέφερε εσφαλμένα ότι «Τα ζώα δεν εμφανίστηκαν ποτέ μέχρι πριν από 700.000 ή 800.000 χρόνια». Ο σωστός αριθμός είναι πριν από 700 έως 800 εκατομμύρια χρόνια.
