Neuer Tierstammbaum wirft Fragen zum Ursprung des Nervensystems auf – Ars Technica

Bitten Sie jemanden, an ein Tier zu denken, und er wird wahrscheinlich eines unserer Säugetierverwandten finden. Einige Leute würden sogar andere Wirbeltiere wie Vögel und Fische erwähnen. Aber diese kratzen kaum an der Oberfläche der Tiervielfalt, da Dinge wie Kopffüßer, Insekten und Stachelhäuter unterschiedliche Merkmale aufweisen.

Und das ist, bevor man zu den wirklich seltsamen Dingen kommt, wie radialsymmetrischen Hohlkörpern oder Schwämmen, denen Muskeln und Nervenzellen fehlen. Oder die Kammgelees, die sich durch das Spinnen vieler fadenförmiger Flimmerhärchen fortbewegen. oder der Kuriosität ist eine wirklich seltsame GestaltScheibenartige Lebewesen, die zwei Seiten, aber kein Inneres haben und Dinge auf ihrer Oberfläche verdauen.

Für Menschen, die der Meinung sind, dass Evolution mit der Erhöhung der Komplexität von Organismen einhergeht, ist es verlockend, sich vorzustellen, dass der Stammbaum eines Tieres durch schrittweises Hinzufügen weiterer Dinge wie Nervenzellen und Muskeln entstanden sei. Aber es gab eine stetige Flut genetischer Studien, die darauf hindeuteten, dass es zwei verschiedene Abstammungslinien gab, die letztendlich zu Neuronen führten. Die Ergebnisse dieser Studien hingen kaum von den für die Analyse ausgewählten Genen und Arten ab. Doch eine neue Studie, die sich nicht auf einzelne Gene verlässt, geht nun eindeutig davon aus, dass Schwämme enger mit Menschen verwandt sind als einige andere Tiere mit Nervensystem.

ordnet die Chromosomen neu

Bei den meisten frühen Studien auf diesem Gebiet ging es darum, verwandte Gene zu identifizieren, die in allen Tieren vorhanden sind, und herauszufinden, wie diese Gene miteinander verknüpft sind. Es wird angenommen, dass die Organismen selbst in gleicher Weise verwandt sind. Dies kann in vielen Situationen sehr nützlich sein, aber die Analyse wird oft verwirrend, wenn viele Arten in kurzer Zeit auseinandergehen oder wenn sich einzelne Gene aufgrund des evolutionären Drucks stark verändern. Daher kann die genaue Antwort, die Sie erhalten, manchmal davon abhängen, welche Gene Sie untersuchen möchten.

Die neue Studie versucht Verwirrung zu vermeiden, indem sie untersucht, wie Gene auf Chromosomen angeordnet sind. Es stellt sich heraus, dass einzelne Gene dazu neigen, über längere Zeiträume an derselben Stelle auf dem Chromosom zu bleiben. Schätzungen zufolge dauert es 40 Millionen Jahre, bis nur ein Prozent der Gene eines typischen Tiergenoms auf ein neues Chromosom übertragen wird. Die Chancen stehen also gut, dass vier Gene, wenn sie jetzt nebeneinander liegen, bei den Vorfahren der heutigen Säugetiere nebeneinander lagen, die es hätten vermeiden müssen, von Dinosauriern gefressen zu werden.

Dies bedeutet nicht, dass diese Vorfahren genau die gleiche Anzahl und Anordnung der Chromosomen hatten. Es kommt zu groß angelegten Umordnungen, etwa der Verschmelzung oder Teilung von Chromosomen oder dem Austausch eines großen Abschnitts von einem zum anderen. Bei diesen großen Umlagerungen bleiben jedoch fast alle benachbarten Gene nebeneinander, selbst wenn die gesamte Anordnung auf einem anderen Chromosom landet (Austausche können einen einzelnen Bruch in einem DNA-Molekül beinhalten).

Dies bedeutet, dass das Aufschlüsseln der linearen Anordnung einer Gruppe von Genen als technisch bezeichnet wird Synthetik– sehr selten in der Evolutionsgeschichte der Tiere. Und indem wir Veränderungen in der Genreihenfolge verschiedener Arten verfolgen, können wir herausfinden, wo frühere Genkombinationen in einem Organismus auseinandergebrochen sind und welche anderen Arten die gleiche Neuordnung geerbt haben. Und das kann uns sagen, welche Organismen am engsten mit uns verwandt sind.

Nachbestellungsverfolgung

Für diese Art der Analyse müssen Sie wissen, wie die Gene auf den Chromosomen angeordnet sind. Wir haben kürzlich eine Technologie entwickelt, die es uns ermöglicht, sehr lange DNA-Stücke zu sequenzieren – oft Zehntausende von Basen, die sich in die Länge ziehen – was es viel einfacher macht, Chromosomen wieder zusammenzusetzen. Die Forscher griffen auf so viele Tiergenome wie möglich zurück und vervollständigten einige eigene für die Studie. Darüber hinaus rekonstruierten sie die Chromosomen einzelliger Organismen, von denen angenommen wurde, dass sie eng mit Tieren verwandt sind, um eine Grundlage für ihre Ausgangsanordnungen zu schaffen.

Es wird angenommen, dass die Entstehung der Tiere vor etwa 800 Millionen Jahren erfolgte. Obwohl das Aufbrechen von Genclustern selten vorkommt, ist dies ausreichend Zeit, damit dies in einem großen Teil des Genoms geschieht. Die Forscher konnten nur knapp 300 Gene identifizieren, die sich in Clustern befanden, die sich auf Verwandte einzelliger Tiere erstreckten, wobei die größte Gruppe 29 Gene umfasste. Als die Forscher 10 Millionen Simulationen durchführten, bei denen Gene nach dem Zufallsprinzip mit der über einen Zeitraum von 800 Millionen Jahren erwarteten Häufigkeit zusammengesetzt wurden, kamen sie nie auf eine Gruppe von bis zu acht Genen, sodass es sich bei den meisten davon wahrscheinlich um Fälle echter Vorfahren handelt.

Durch die Verfolgung der Umlagerungen konnten die Forscher acht Umlagerungen identifizieren, die bei rechts- und linksseitigen Tieren wie uns Wirbeltieren und Dingen wie Quallen (Cnidaria) und Schwämmen (Porifera) häufig vorkommen. Nichts davon wurde bei Kammquallen (Ctenophora) beobachtet. Auch hier haben sie 100 Millionen Zufallssimulationen durchgeführt und dieses Vererbungsmuster nie gesehen, es scheint also real zu sein.

Das bedeutet, dass Tiere wie wir als Wirbeltiere und alles andere, was eine linke und eine rechte Seite hat, enger mit Schwämmen verbunden sind als wir mit Gallerten. Dies trotz der Tatsache, dass Schwämme keine Muskeln oder ein Nervensystem haben, während Kammgelees uns alle miteinander teilen.

Wie könnte das wahr sein?

Abgesehen davon, dass ihnen Nerven und Muskeln fehlen, zeichnen sich Schwämme dadurch aus, dass viele von ihnen über eine innere Mineralstruktur verfügen, die ein wenig wie ein Skelett aussieht. Viele von ihnen verwenden für die Herstellung Kalziumkarbonat, aber einige Arten verwenden es auch aus Kieselsäure, die sich chemisch stark von allem unterscheidet, was wir Zweibeiner herstellen. Es fehlt auch so etwas wie ein inneres Verdauungssystem.

Doch auch wenn diese wie seltsame Verwandte aussehen, sind Placozoaner der Onkel der Tierfamilie. Diese bestehen aus einer zweiseitigen Scheibe, die sich koordiniert über die Oberflächen bewegt. Wenn sie durch die Nahrung gleiten, bilden sie einfach einen kleinen Beutel auf der Unterseite der Bandscheibe und verdauen ihn an Ort und Stelle. All dies geschieht ohne offensichtliche Neuronen oder Muskeln, obwohl es Berichte gibt, dass sie Spitzen in der elektrischen Aktivität erfahren, die bei anderen Tieren das Markenzeichen von Neuronen sind.

Auch hier scheinen diese Cluster näher mit uns verwandt zu sein als Kammgallerten, die Nervennetzwerke und Muskelzellen enthalten.

Dafür gibt es zwei mögliche Erklärungen, die man zum jetzigen Zeitpunkt nicht auseinanderhalten kann. Das erste ist, dass die Vorfahren der Schwämme und Placozoen ebenfalls über Muskeln und Nervenzellen verfügten, diese jedoch im Laufe der Evolution verloren, was die Planung ihrer Körper über Hunderte von Millionen Jahren hinweg radikal erleichterte. Dies steht im Widerspruch zu dem, was die meisten Menschen von der Evolution erwarten würden, aber es gibt viele Organismen, die mit stromlinienförmigen Körperplänen gediehen sind (viele von ihnen sind Parasiten). Schwämme haben sich in der Nische, die sie besetzen, gut entwickelt. Auch Placozoen gedeihen zwar gut, aber sie sind klein und leicht zu übersehen, daher haben wir kein fundiertes Verständnis darüber.

Die Alternative ist, dass sich Dinge wie Muskeln und Nervenzellen zweimal entwickelt haben. Das mag unmöglich erscheinen, aber es gibt ein paar Dinge, die in diese Richtung weisen. Zum einen scheint es erhebliche Unterschiede zwischen den Neuronen und Muskeln von Kammquallen und denen von rechts- und linksseitigen Tieren zu geben. Placozoen scheinen, wie oben erwähnt, neuronenähnliches Verhalten zu zeigen, auch wenn ihnen Neuronen fehlen. Viele der Proteinverbindungen, die für die Funktion von Nervenzellen benötigt werden, werden von Schwämmen produziert. Es könnte also sein, dass die Vorfahren all dieser Tiere über Teile verfügten, die es den Neuronen ermöglichten, sich mit weniger Veränderungen zu entwickeln, als sonst nötig wären.

Zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden wäre eine ernsthafte Herausforderung, und es ist unwahrscheinlich, dass uns die bloße Sammlung weiterer Genomsequenzen eine Antwort liefern wird. Stattdessen müssen wir vielleicht mit der Kultivierung von Kammgallerten im Labor beginnen, damit wir einen genaueren Blick auf Neuronen und Muskeln werfen können.

Natur, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05936-6 (über DOIs).