Gdzie rozgwiazdy mają głowy? Zagadka rozwiązana

Naukowcy od lat zastanawiali się, gdzie rozgwiazda ma głowę. Patrząc na większość innych zwierząt, jasne jest, gdzie jest głowa, a gdzie ogon. Ale rozgwiazdy ze swoimi ramionami wprowadzały badaczy w zakłopotanie. Ich niezwykły układ ciała doprowadził naukowców do wniosku, że rozgwiazdy być może w ogóle nie mają głowy. Ale w nowych badaniach uczeni ustalili, że może być odwrotnie. Rozgwiazdy wcale nie są pozbawione głowy. W miarę ewolucji utraciły one całe ciała, stając się samymi głowami.

Rozgwiazdy to bardzo charakterystyczne zwierzęta. Można je łatwo rozpoznać po ich budowie przypominającej gwiazdę. Żyją na właściwie każdym typie dna morskiego na głębokości od pół do nawet 300 m. Choć znajdywano je też na większych głębokościach. Przybierają różne barwy, rozmiary i kształty. Bywa, że bez wykształconych ramion mają kształt pięcioboku. To drapieżniki i należą do typu szkarłupni. Polują na jeżowce, małże czy ślimaki morskie. Czasem zadowalają się padliną. Poruszają się bardzo powoli – około 5-15 cm na minutę - za pomocą tzw. nóżek ambulakralnych rozmieszczonych na każdym ramieniu. Nóżki te służą również do rozpoznawania pokarmu i jego chwytania.

Od dziesięcioleci naukowcy zastanawiali się, gdzie się znajdują głowy tych istot. Zdecydowana większość zwierząt ma tzw. symetrię dwuboczną, co oznacza, że można je podzielić na dwie lustrzane połowy wzdłuż osi od głowy do ogona. Ten plan ciała jest dokładnie kontrolowany przez szereg genów rozwojowych. Rozgwiazdy zaliczane są do zwierząt o symetrii promienistej i nie mają wyraźnie zarysowanej głowy ani ogona. Pojawił się nawet pogląd, że istoty te mogą zwyczajnie nie mieć głów.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda oraz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley odkryli, że w trakcie ewolucji rozgwiazdom przydarzyło się coś dziwnego. W nowych badaniach, w których wykorzystano różne techniki obrazowania oraz zaawansowane metody molekularne i genomiczne, stworzono trójwymiarowy atlas ekspresji genów rozgwiazdy. Dzięki temu uczeni dowiedzieli się, które geny uległy ekspresji i gdzie. To pokazało, że rozgwiazdy w zasadzie składają się z samej głowy.

Rezultaty oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-023-06669-2).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

1995 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny przyznano trzem naukowcom, którzy wykorzystali muszki owocowe do wykazania, że obserwowana u większości zwierząt symetria dwuboczna powstaje w wyniku działania szeregu przełączników molekularnych kodowanych przez geny. To programowanie genetyczne jest wspólne dla ogromnej większości gatunków, w tym kręgowców, do których zaliczają się również ludzie, oraz bezkręgowców, takich jak chociażby owady.

Jednak rozgwiazdy nie pasowały do ustaleń badaczy. Zamiast wykazywać dwustronną symetrię, dorosłe rozgwiazdy i pokrewne im szkarłupnie, mają pięciopromienną symetrię, bez wyraźnej głowy czy ogona. Przez lata powstały różne koncepcje dotyczące budowy rozgwiazd, ale żadna nie zyskała uznani środowiska naukowego. Pomogły dopiero badania genetyczne i udoskonalone przez ostatnie lata techniki sekwencjonowania genów.

- Sekwencjonowanie, które jeszcze kilka lat temu zajęłoby miesiące, można teraz przeprowadzić w ciągu kilku godzin i jest setki razy tańsze – powiedział David Rank, współautor badań. - Te postępy oznaczały, że mogliśmy zacząć badania zasadniczo od zera na organizmie, którego zwykle nie bada się w laboratorium. Mogliśmy przeprowadzić szczegółowe badania, które byłyby niemożliwe jeszcze 10 lat temu – dodał.

Naukowcy wykorzystali transkryptomikę przestrzenną. To badanie łączące profilowanie ekspresji genów z charakterystyką morfologiczną tkanek. Dzięki tej technice można zidentyfikować komórki i jednocześnie wskazać, poprzez profile ekspresji genów, ich lokalizację w strukturze tkanki. Innymi słowy, metoda ta umożliwiła uczonym określenie, które geny rozgwiazdy są aktywne w konkretnych miejscach organizmu. Badacze skorzystali też z mikrotomografii rentgenowskiej, aby z duża szczegółowością odtworzyć kształt i budowę zwierzęcia.

Prace te pokazały, że rozgwiazda w rzeczywistości składa się z przypominających głowę obszarów rozmieszczonych pośrodku jej ciała oraz pośrodku każdego z pięciu ramion. Zatem to, co uważamy za ciało rozgwiazdy, w rzeczywistości jest jej głową.

Naukowcy zbadali różnice w ekspresji genów w trzech różnych kierunkach na całym ciele rozgwiazdy: od środka do końcówek ramion, od góry do spodu oraz z jednej strony krawędź ramion do drugiej. Następnie, aby bliżej przyjrzeć się zachowaniu niektórych kluczowych genów, oznaczyli je jeden po drugim barwnikami fluorescencyjnymi. To zaowocowało powstaniem szczegółowej mapy ich rozmieszczenia w ciele rozgwiazdy.

Odkryli, że ekspresja genów odpowiadająca przodomózgowiu u ludzi i innych dwustronnie symetrycznych zwierząt, zlokalizowana jest wzdłuż linii środkowej ramion, natomiast ekspresja genów odpowiadająca śródmózgowiu, w zewnętrznych krawędzi ramion. Uczeni zaobserwowali ekspresję genów odpowiadających za budowę głowy, ale dostrzegli tylko jeden gen typowo związanych z tułowiem, na samych krawędziach ramion rozgwiazdy.

- Wyniki te sugerują, że szkarłupnie, a w szczególności rozgwiazdy, mają najbardziej dramatyczny przykład oddzielenia się obszarów głowy od tułowia, jaki znamy – powiedział Laurent Formery, główny autor nowego badania. Dodał, że niektórzy dziwnie wyglądający przodkowie rozgwiazd zachowani w zapisie kopalnym, wydaje się, że posiadały tułów. - To tak, jakby rozgwiazda całkowicie straciła tułów i najlepiej opisać ją jako głowę pełzającą po dnie morskim – dodał.

- Kiedy porównaliśmy ekspresję genów u rozgwiazdy z ekspresją genów innych grup zwierząt, np. kręgowców, okazało się, że brakuje kluczowej części planu ciała – wyjaśnił współautor badania Jeff Thompson. - Geny, które zazwyczaj biorą udział w kształtowaniu tułowia zwierzęcia, nie ulegały ekspresji. Wygląda na to, że cały plan ciała szkarłupni jest mniej więcej odpowiednikiem głowy u innych grup zwierząt. Prawdopodobnie ewoluował on w znacznie bardziej złożony sposób, niż wcześniej sądzono - dodał.

Źródło: Chan Zuckerberg Biohub, Science Alert, fot. Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0