Το γονιδίωμα της μέδουσας υποδηλώνει ότι η πολυπλοκότητα δεν είναι γενετικά σύνθετη
Ένα γενικό θέμα στην ιστορία της εξέλιξης, τουλάχιστον τα τελευταία μισό δισεκατομμύριο χρόνια περίπου, είναι η αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Υπάρχουν και άλλα θέματα, φυσικά, αλλά η ζωή έχει γίνει αναμφίβολα πιο περίπλοκη από την αρχή της. Τα πρώιμα κύτταρα συγκεντρώθηκαν για να σχηματίσουν πολυκυτταρικούς συνασπισμούς. Αυτοί ανέπτυξαν πιο περίπλοκα σώματα και τρόπους ζωής καθώς περνούσαν οι χιλιετίες, βρίσκοντας ολοένα και πιο ποικίλους τρόπους για να βγάλουν τα προς το ζην. Ίσως περιμένετε ότι καθώς τα σώματα έγιναν πιο πολύπλοκα, τα γονιδιώματα έγιναν επίσης.
Αλλά μια πρόσφατη μελέτη που εμφανίζεται στο Nature Ecology &Evolution δείχνει ότι αυτό δεν συμβαίνει - τουλάχιστον για τις μέδουσες, ταπεινούς οργανισμούς που εξελίχθηκαν σε μια κρίσιμη καμπή στην ιστορία των ζώων. Δεν χρειάζονταν περισσότερα γονίδια - ή ακόμα και ιδιαίτερα διαφορετικά - για να ενισχύσουν το γιγάντιο άλμα τους στην πολυπλοκότητα. Αυτή η νέα μελέτη προσθέτει σε ένα αυξανόμενο σύνολο εργασιών που θέτει αμφιβολίες για την εύρεση απλών γονιδιωματικών υπογραφών της εξέλιξης της πολυπλοκότητας.
Οι μέδουσες κάθονται δίπλα σε θαλάσσιες ανεμώνες, κοράλλια και ύδρα στο κλαδί Κνιδάριου του ζωικού δέντρου της ζωής. Το πιρούνι που οδηγεί στα κνιδάρια αντιπροσωπεύει την τελική στροφή πριν τα ζώα γίνουν αμφίπλευρα συμμετρικά, γεγονός που τα καθιστά μια ενδιαφέρουσα ομάδα προς μελέτη λόγω της μεγαλύτερης πολυπλοκότητας που συνόδευε αυτή η μεταγενέστερη καινοτομία. Οι μέδουσες ξεκινούν τη ζωή τους σαν τα ξαδέρφια τους, καθώς οι άμισχοι πολύποδες αγκυροβολούν στον πυθμένα της θάλασσας, αναζητώντας τροφή στα διερχόμενα ρεύματα. Σε αντίθεση με τα ξαδέρφια τους, τελικά απελευθερώνονται και μεταμορφώνονται σε μια μορφή ελεύθερης κολύμβησης γνωστή ως μέδουσα, «αυτό που συνήθως σκεφτόμαστε όταν σκεφτόμαστε τις μέδουσες», είπε ο David Gold, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, ο οποίος ηγήθηκε. τη μελέτη.
Ο Gold εξήγησε ότι το στάδιο της Μέδουσας αντιπροσωπεύει ένα κβαντικό άλμα στην πολυπλοκότητα. Οι Μέδουσες κυνηγούν ενεργά πλαγκτόν και πλοηγούνται στη στήλη του νερού με νευρικές αισθητήριες δομές που ανιχνεύουν το φως και τον προσανατολισμό. Το να μεταβείτε από στάσιμος πολύποδας σε πλωτή μέδουσα μοιάζει σχεδόν με τον άνθρωπο που εξελίσσει την ικανότητα να κολυμπάει στον αέρα και να αιχμαλωτίζει πουλιά με ελαστικά, δίχτυα εξαρτήματα.
Ο κίνδυνος κατά τη μέτρηση της πολυπλοκότητας των ζώων, ωστόσο, είναι ότι είναι δύσκολο να είμαστε αντικειμενικοί σχετικά με αυτό. Ο Mansi Srivastava, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που μελετά την πολυπλοκότητα των ζώων και δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη, προειδοποιεί ότι το πώς βλέπουμε την πολυπλοκότητα μπορεί να έχει να κάνει περισσότερο με εμάς παρά με αυτό που προσπαθούμε να ορίσουμε. Επειδή διαφέρουμε τόσο πολύ από τα σφουγγάρια και τις μέδουσες, μπορεί να χάσουμε πολύπλοκα μεταβολικά μονοπάτια ή άλλα χαρακτηριστικά της «απλούστερης» ζωής των ζώων, γεγονός που μας οδηγεί στο συμπέρασμα της απλότητας όπου υπάρχει μια απόχρωση.
Ωστόσο, ο Srivastava και ο Gold συμφωνούν ότι αν συνδέετε την πολυπλοκότητα με την ιστορία της ζωής, οι μέδουσες είναι πιο περίπλοκες από τους κνιδαρικούς συγγενείς τους. Αλλά το πώς έκαναν αυτό το άλμα ήταν ασαφές. «Απλώς δεν είχαμε ιδέα για το τι είδους γενετικές αλλαγές χρειάζονταν για να πάμε από αυτόν τον πιο απλό τρόπο ζωής σε αυτόν τον πιο περίπλοκο τρόπο ζωής», είπε ο Gold. Για να το ανακαλύψουν, οι ερευνητές αποφάσισαν να αλληλουχήσουν το γονιδίωμα της Aurelia , τις μέδουσες του φεγγαριού και, στη συνέχεια, συγκρίνετε τις με αυτές των κνιδάριων χωρίς μέδουσα.
Εάν μια ριζική αλλαγή στο ιστορικό ζωής απαιτεί μεγάλη ώθηση στο περιεχόμενο γονιδίων, η Aurelia Το γονιδίωμα θα πρέπει να είναι γεμάτο με νέα γονίδια μοναδικά για τις μέδουσες. Αντίθετα, ο Gold διαπίστωσε ότι, σε γενικές γραμμές, «δεν υπάρχει πραγματικά μεγάλη διαφορά μεταξύ της Aurelia και οι συγγενείς τους με απλούστερο τρόπο ζωής». Υπήρχαν μερικά νέα γονίδια, αλλά όχι περισσότερα από όσα θα περίμενε κανείς από οποιαδήποτε ξεχωριστή ομάδα.
Αυτό το εύρημα δεν ήταν τρομερά έκπληξη για τον Gold, επειδή τα γονιδιώματα άλλων, πολύ πιο ανόμοιων ειδών μοιάζουν επίσης αρκετά παρόμοια αν τα στραβοκοιτάζεις. Ο χρυσός είχε ήδη μια πιο διαφοροποιημένη υπόθεση:Όταν πρόκειται για την οικοδόμηση ενός σώματος, σημασία δεν έχει μόνο ποια γονίδια υπάρχουν, αλλά και πότε χρησιμοποιούνται. Αν ψάχνετε για γονίδια που δημιουργούν πολυπλοκότητα στις μέδουσες, τότε είναι λογικό να τα αναζητήσετε όταν αυτή η πολυπλοκότητα εκδηλώνεται, κατά την ανάπτυξη της Μέδουσας. Ο Gold πίστευε ότι γονίδια μοναδικά για τις μέδουσες θα ήταν ενεργά κατά τη μεταμόρφωση από πολύποδα σε μέδουσα.
Αλλά προς έκπληξή του, δεν ήταν αυτό που βρήκε. Νέα γονίδια μοναδικά για τις μέδουσες δεν ήταν πιο πιθανό να εκφραστούν στο στάδιο της μέδουσας, ή σε οποιοδήποτε στάδιο ανάπτυξης, από άλλα, παλαιότερα γονίδια. "Σε γενικό γενετικό επίπεδο, δεν φαίνεται ότι χρειάζεστε μεγάλες αλλαγές στο γονιδίωμα για να κάνετε αυτές τις μεγάλες αλλαγές στην ιστορία της ζωής σας", είπε ο Gold.
Μια εναλλακτική εξήγηση εξηγεί την έλλειψη διαφορών ανατρέχοντας στην ιστορία προέλευσης. Ίσως η πολυπλοκότητα, με τη μορφή του σταδίου της μέδουσας, υπήρχε στους πρώιμους κνιδάριους, αλλά χάθηκε σε όλες τις σχετικές ομάδες που ζουν σήμερα εκτός από τις μέδουσες. Οποιοδήποτε σενάριο θα παρήγαγε παρόμοια γονιδιωματική υπογραφή, αν και ο Gold πιστεύει ότι το δεύτερο είναι λιγότερο πιθανό. Η σύγκριση περισσότερων cnidarian ακολουθιών σε διαφορετικά στάδια απόκλισης θα αποκαλύψει τελικά την απάντηση.
«Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι μέδουσες δεν επινόησαν απλώς ένα σωρό νέα γονίδια για να δημιουργήσουν ένα στάδιο της Μέδουσας», είπε ο Σριβαστάβα, «αλλά δεν το ξέρουμε μέχρι να κοιτάξουμε». Την ενθουσίασε το εύρημα ότι τα νέα γονίδια δεν υπερεκπροσωπούνταν στο στάδιο της Μέδουσας, επειδή υποδηλώνει ότι «μπορούν να προκύψουν πολύ διαφορετικά σχέδια σώματος συνδέοντας τα ίδια γονίδια με διαφορετικούς τρόπους».
Τα αποτελέσματα του Gold ευθυγραμμίζονται σε γενικές γραμμές με αυτά από ένα άλλο γονιδίωμα μεδουσών, την Clytia . Αυτή η έρευνα, επίσης, δεν βρήκε μεγάλο ρόλο για νέα γονίδια. Για να αυξηθεί το μυστήριο, υπήρξαν ακόμη και υπαινιγμοί ότι στην Κλυτία , πιο αρχαία και διατηρημένα μονοπάτια έπαιξαν μεγαλύτερο ρόλο στην ανάπτυξη της Μέδουσας.
Σε κάθε περίπτωση, προς το παρόν, οι γενετικές αλλαγές που ενορχηστρώνουν αυτή τη μεταμόρφωση στις μέδουσες παραμένουν άγνωστες. Ο μετασχηματισμός μπορεί να εξαρτάται από περιοχές του γονιδιώματος που δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες, αλλά αντίθετα ρυθμίζουν πότε τα γονίδια ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται. Ίσως είναι ευκολότερο για τη ζωή να καινοτομεί αναδιατάσσοντας τα υπάρχοντα γονιδιακά της δίκτυα αντί να εξελίσσονται πολλά νέα γονίδια. Ή ίσως το ευρύ πρώτο πέρασμα στα γονιδιώματα απλώς έχασε μια χούφτα κωδικοποιών γονιδίων που παίζουν μεγάλο ρόλο στη διαδικασία.
Η Αυρηλία Το γονιδίωμα εντάσσεται σε έναν αυξανόμενο αριθμό μελετών που περιπλέκουν την άποψή μας για την πολυπλοκότητα. Όταν οι επιστήμονες άρχισαν να συγκρίνουν τα γονίδια και τα γονιδιώματα διαφορετικών κλάδων του δέντρου της ζωής, περίμεναν να βρουν τεράστιες διαφορές, αλλά αντίθετα ανακάλυψαν αξιοσημείωτη ομοιότητα. Για παράδειγμα, οι άνθρωποι και οι γάτες μοιράζονται περίπου το 90 τοις εκατό των γονιδίων μας. Μοιραζόμαστε σχεδόν τα δύο τρίτα του γονιδιώματός μας με μύγες φρούτων, παρά το γεγονός ότι είμαστε χωρισμένοι για περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια.
Ακόμη και οι πρώτες γενεαλογίες ζώων φιλοξενούν απροσδόκητες πολυπλοκότητες. Όταν ο Srivastava και οι συνεργάτες του ανέλυσαν την αλληλουχία του πρώτου γονιδιώματος του σφουγγαριού το 2010, έμειναν έκπληκτοι όταν βρήκαν γονίδια που δημιούργησαν τους εγκεφάλους και τους μυς άλλων ζώων που υπήρχαν ήδη σε αυτό το άνευ εγκεφάλου, χωρίς μυϊκό σφουγγάρι. "Τα γονίδια είναι τα ίδια, αλλά σαφώς δεν συνεργάζονται για να κάνουν τα ίδια πράγματα", είπε.
Καθώς περισσότερα γονιδιώματα αλληλουχούνται, οι ερευνητές θα μπορούν να προχωρήσουν πέρα από τις ευρείες περιγραφές πινέλων. «Νομίζω ότι η αλληλουχία του γονιδιώματος είναι ένα πραγματικά εξαιρετικό εργαλείο για τη δημιουργία υποθέσεων», είπε ο Σριβαστάβα. «Και τότε η ίδια η ακολουθία μας παρέχει ένα εργαλείο για να ελέγξουμε πιο αποτελεσματικά αυτές τις υποθέσεις». Οπλισμένοι με δεδομένα αλληλουχίας και λειτουργικά εργαλεία όπως το CRISPR, οι επιστήμονες μπορούν να αρχίσουν να τροποποιούν μεμονωμένα γονίδια και γονιδιακά δίκτυα για να ξεμπερδέψουν τη σχέση μεταξύ των συνδέσεών τους και των ποικίλων μορφών που δημιουργούν.
«Μπορώ να σας δώσω μια λίστα με γονίδια που φαίνεται να σχετίζονται με αύξηση της πολυπλοκότητας», είπε ο Σριβαστάβα, «αλλά σε κάποιο επίπεδο δεν είναι πολύ ισχυρές πληροφορίες. Δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί ένας άνθρωπος μοιάζει με άνθρωπο και ένα σφουγγάρι με σφουγγάρι». Σύμφωνα με αυτήν, «οι επόμενες μεγάλες προόδους θα προέλθουν από τη σκληρή δουλειά της πειραματικής βιολογίας» και είναι ενθουσιασμένη που βλέπει πού μας βγάλει αυτή η σκληρή δουλειά.
