Više od jednog veka, biolozi su se pitali kakve su bile najranije životinje kada su se prvi put pojavile u drevnim okeanima pre više od pola milijarde godina.
Tragajući među današnjim najprimitivnijim životinjama za najranijom granom životinjskog drveta života, naučnici su postepeno suzili mogućnosti na dve grupe: sunđere, koji ceo svoj odrasli život provode na jednom mestu, filtrirajući hranu iz morske vode; i češljani žele, proždrljivi predatori koji se probijaju kroz svetske okeane u potrazi za hranom.
U novoj studiji objavljenoj ove nedelje u časopisu Nature, istraživači koriste novi pristup zasnovan na strukturi hromozoma da bi došli do konačnog odgovora: češljasti žele ili ctenofori (izgovara se teen’-a-fores) bili su prva loza koja se granala sa životinjskog drveta. Sledeće su bile sunđere, praćene diverzifikacijom svih drugih životinja, uključujući lozu koja vodi do ljudi.
Iako su istraživači utvrdili da se loza ctenofora granala pre sunđera, obe grupe životinja su nastavile da evoluiraju od svog zajedničkog pretka. Ipak, evolucioni biolozi veruju da ove grupe i dalje dele karakteristike sa najranijim životinjama i da proučavanje ovih ranih grana životinjskog drveta života može rasvetliti kako su životinje nastale i evoluirale do raznolikosti vrsta koje danas vidimo oko nas.
„Najnoviji zajednički predak svih životinja verovatno je živeo pre 600 ili 700 miliona godina. Teško je znati kakvi su bili jer su bile životinje mekog tela i nisu ostavile direktan fosilni zapis. Ali možemo da koristimo poređenja širom sveta. životinje kako bi naučili o našim zajedničkim precima“, rekao je Daniel Rokhsar sa Univerziteta u Kaliforniji, profesor molekularne i ćelijske biologije na Berkliju i ko-korespondentni autor rada zajedno sa Darinom Šulcom i Olegom Simakovom sa Univerziteta u Beču. „To je uzbudljivo – gledamo duboko u prošlost gde nemamo nade da ćemo dobiti fosile, ali upoređujući genome, učimo stvari o ovim veoma ranim precima.“
Razumevanje odnosa između životinjskih linija pomoći će naučnicima da shvate kako su ključne karakteristike biologije životinja, kao što su nervni sistem, mišići i digestivni trakt, evoluirali tokom vremena, kažu istraživači.
„Razvili smo novi način da bacimo jedan od najdubljih mogućih uvida u poreklo životinjskog sveta“, rekao je Šulc, vodeći autor i bivši diplomirani student UC Santa Cruz i istraživač na Institutu za istraživanje akvarijuma u zalivu Monterej (MBARI) koji je sada postdoktorski istraživač na Univerzitetu u Beču. „Ovo otkriće će postaviti osnovu za naučnu zajednicu da počne da razvija bolje razumevanje o tome kako su životinje evoluirale.
Većina poznatih životinja, uključujući crve, muhe, mekušce, morske zvezde i kičmenjake – uključujući i ljude – imaju glavu sa centralizovanim mozgom, creva koja se kreću od usta do anusa, mišiće i druge zajedničke karakteristike koje su već evoluirale do vremena čuvena „Kembrijska eksplozija“ pre oko 500 miliona godina. Zajedno, ove životinje se zovu bilateralni.
Druge verodostojne životinje, međutim, kao što su meduze, morske anemone, sunđeri i ctenofori, imaju jednostavnije planove tela. Ovim stvorenjima nedostaju mnoge bilateralne karakteristike — na primer, nedostaje im definisan mozak i možda čak nemaju nervni sistem ili mišiće — ali i dalje dele obeležja životinjskog života, posebno razvoj višećelijskih tela iz oplođenog jajeta.
Evolucioni odnosi među ovim raznolikim stvorenjima – konkretno, redosled kojim se svaka od loza granala od glavnog stabla životinjskog drveta života – bili su kontroverzni.
Sa porastom sekvenciranja DNK, biolozi su mogli da uporede sekvence gena koje dele životinje kako bi konstruisali porodično stablo koje ilustruje kako su životinje i njihovi geni evoluirali tokom vremena od kada su najranije životinje nastale u pretkambrijskom periodu.
Ali ove filogenetske metode zasnovane na sekvencama gena nisu uspele da razreše kontroverzu oko toga da li su sunđeri ili žele od češlja najranija grana životinjskog stabla, delom zbog duboke antike njihove divergencije, rekao je Roksar.
„Rezultati sofisticiranih studija zasnovanih na sekvencama su u osnovi podeljeni“, rekao je on. „Neki istraživači su uradili dobro osmišljene analize i otkrili da su se sunđeri prvi razgranali. Drugi su uradili jednako složena i opravdana istraživanja i dobili ktenofore. Nije bilo nikakve konvergencije do konačnog odgovora.“
Samo gledajući ih, sunđeri deluju prilično primitivno. Nakon stadijuma larve koje slobodno pliva, one se smiruju i uglavnom ostaju na jednom mestu, nežno provlačeći vodu kroz svoje pore da bi uhvatile male čestice hrane rastvorene u morskoj vodi. Nemaju živce ni mišiće, iako njihovi tvrdi delovi čine lepe perače u kadi.
„Tradicionalno, sunđeri se široko smatraju najranijim preživelim granama životinjskog drveta, jer sunđeri nemaju nervni sistem, nemaju mišiće i pomalo liče na kolonijalne verzije nekih jednoćelijskih protozoa, “, rekao je Rokhsar.
„I tako, bila je to lepa priča: prvo su došli jednoćelijski protozoi, a zatim su evoluirali višećelijski konzorcijumi takvih ćelija nalik sunđeru i postali predak celokupne današnje životinjske raznovrsnosti. U ovom scenariju, loza sunđera čuva mnoge karakteristike životinjski predak na grani koja vodi do svih drugih životinja, uključujući i nas. Razvile su se specijalizacije koje su dovele do neurona, nerava, mišića i creva i svih onih stvari koje znamo i volimo kao definitivne karakteristike ostatka životinjskog života. Izgleda da su sunđeri primitivni, jer im nedostaju te osobine.“
Drugi kandidat za najraniju životinjsku lozu je grupa želea od češlja, popularne životinje u mnogim akvarijumima. Iako površno liče na meduze — često imaju oblik zvona, iako sa dva režnja, za razliku od meduza, i obično pipcima — oni su samo u udaljenom srodstvu. I dok meduze štrcaju kroz vodu, ktenofore se pokreću sa osam redova trepavica raspoređenih niz njihove strane kao češljevi. Duž kalifornijske obale, uobičajena ctenofora je morski ogrozd prečnika 1 inč.
Da bi saznali da li su sunđeri ili ktenofori bili najranija grana životinja, nova studija se oslanjala na malo verovatnu osobinu: organizaciju gena u hromozome. Svaka vrsta ima karakterističan broj hromozoma — ljudi imaju 23 para — i karakterističnu distribuciju gena duž hromozoma.
Roksar, Simakov i saradnici su ranije pokazali da hromozomi sunđera, meduza i mnogih drugih beskičmenjaka nose slične skupove gena, uprkos više od pola milijarde godina nezavisne evolucije. Ovo otkriće je sugerisalo da se hromozomi mnogih životinja sporo razvijaju i omogućilo timu da kompjuterski rekonstruiše hromozome zajedničkog pretka ovih različitih životinja.
Ali struktura hromozoma ctenofora bila je nepoznata sve do 2021. godine, kada su Šulc – tada diplomirani student na UC Santa Cruz – i njegovi ko-savetnici, Richard Green iz UCSC i Steven Haddock iz MBARI i UCSC, utvrdili strukturu hromozoma ctenophore Hormiphora californiensis . Izgledalo je veoma drugačije od onih drugih životinja, što je predstavljalo zagonetku, rekao je Rokhsar.
„U početku nismo mogli da kažemo da li se hromozomi ctenofora razlikuju od onih kod drugih životinja jednostavno zato što su se mnogo promenili tokom stotina miliona godina“, objasnio je Roksar. „Alternativno, mogli bi biti drugačiji jer su se prvi odvojili, pre nego što su se pojavile sve druge životinjske loze. Trebalo je da to shvatimo.“
Istraživači su udružili snage da bi sekvencirali genome drugog češljastog želea i sunđera, kao i tri jednoćelijska bića koja su izvan životinjske loze: hoanoflagelat, filastereanska ameba i riblji parazit koji se zove ihtiosporac. Grube sekvence genoma ovih ne-životinja već su postojale, ali nisu sadržale kritične informacije potrebne za povezivanje gena na nivou hromozoma: gde se nalaze na hromozomu.
Zanimljivo, kada je tim uporedio hromozome ovih različitih životinja i neživotinja, otkrio je da ktenofori i neživotinje dele određene kombinacije gena i hromozoma, dok su hromozomi sunđera i drugih životinja preuređeni na potpuno drugačiji način.
„To je bila puška za pušenje — pronašli smo nekoliko preuređivanja koje dele sunđeri i životinje koje nisu ktenofore. Nasuprot tome, ktenofori su ličili na neživotinje. Najjednostavnije objašnjenje je da su se ktenofori razgranali pre nego što je došlo do preuređivanja“, rekao je on.
„Otisci prstiju ovog drevnog evolucionog događaja i dalje su prisutni u genomima životinja stotinama miliona godina kasnije“, rekao je Šulc. „Ovo istraživanje… daje nam kontekst za razumevanje onoga što životinje čini životinjama. Ovaj rad će nam pomoći da razumemo osnovne funkcije koje svi delimo, kao što su kako osećaju svoju okolinu, kako jedu i kako se kreću.“
Rokhsar je naglasio da su zaključci tima čvrsto zasnovani na pet skupova kombinacija gena i hromozoma.
„Pronašli smo relikt veoma drevnog hromozomskog signala“, rekao je on. „Bio je bio potreban statistički detektivski rad da bismo sebe ubedili da je ovo zaista jasan signal, a ne samo nasumična buka, jer imamo posla sa relativno malim grupama gena i možda milijardu godina divergencije između životinja i neživotinja. Ali signal je tu i snažno podržava scenario ‘ktenofor-prvi razgranat’ Jedini način na koji bi alternativna hipoteza o prvom sunđeru mogla biti istinita bio bi da se višestruko konvergentno preuređenje desi i kod sunđera i kod životinja koje nisu ktenofore, što je vrlo malo verovatno.“
