Детальные трехмерные реконструкции ключевой сенсорной структуры у гребневиков выявляют гораздо большую структурную и функциональную сложность, чем считалось ранее. Результаты позволяют предположить, что у некоторых из самых ранних животных могла существовать простая система, подобная мозгу, что дает новое понимание эволюции нервной системы.
Гребневики (широко известные как ктенофоры) — это нежные желеобразные морские животные, появившиеся в океанах Земли примерно 550 миллионов лет назад. Эти организмы обладают специализированной сенсорной структурой, называемой аборальным органом (АО), которая позволяет им ощущать гравитацию, давление и свет. Новое морфологическое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что этот орган значительно сложнее, чем предполагалось в более ранних исследованиях.
«Мы показали, что AO — это сложная и функционально уникальная сенсорная система», — сказал Павел Буркхардт, руководитель группы в Центре Майкла Сарса при Университете Бергена. «Наше исследование значительно расширяет наше понимание эволюции поведенческой координации у животных».
Составление карты клеточной архитектуры древнего органа.
Чтобы понять внутреннюю организацию аборального органа, исследователи в сотрудничестве с Майке Киттельманн из Оксфордского университета Брукс использовали передовую объемную электронную микроскопию. Такой подход позволил им создать чрезвычайно подробные трехмерные реконструкции структуры.
Анализ выявил 17 различных типов клеток в аборальном органе, включая 11 секреторных и реснитчатых типов клеток, которые ранее не были идентифицированы. Такое широкое разнообразие клеток подтверждает, что аборальный орган функционирует как сложный мультимодальный сенсорный орган.
«Меня почти сразу поразило морфологическое разнообразие клеток аборального органа. Работа с данными объемной электронной микроскопии — это как каждый день открывать для себя что-то новое и захватывающее», — сказала Анна Феррайоли, научный сотрудник Центра Майкла Сарса и первый автор исследования. «Аборальный орган обладает поразительной сложностью по сравнению с апикальными органами книдарий и билатеральных животных. Он настолько уникален!»
Гибридная нейронная коммуникационная система
Помимо клеточного разнообразия, аборальный орган, по-видимому, также тесно связан с нервной системой гребневика. Гребневики обладают нервной сетью, состоящей из сросшихся нейронов, которая образует непрерывную структуру по всему телу.
Исследователи обнаружили, что эта нервная сеть образует прямые синаптические связи с клетками аборального органа, создавая путь для двусторонней коммуникации. В то же время многие клетки внутри аборального органа содержат многочисленные везикулы, что указывает на то, что они могут высвобождать широко распространенные химические сигналы посредством процесса, известного как объемная передача. В совокупности эти механизмы предполагают, что орган использует как синаптические, так и несинаптические формы сигнализации.
«Я думаю, что наша работа дает важное представление о том, как много мы можем узнать, изучая морфологию», — объясняет Феррайоли. «Я бы сказал, что AO определенно не похож на наш мозг, но его можно определить как орган, который гребневики используют в качестве мозга».
Подсказки об эволюции мозга
Команда также изучила, как экспрессируются определенные гены развития у гребневиков. Многие гены, участвующие в формировании организации тела у других животных, присутствуют и в этих организмах, но их паттерны экспрессии существенно различаются.
Это различие позволяет предположить, что аборальный орган может быть не совсем эквивалентен мозгу, обнаруженному у других групп животных. «Другими словами, — добавил Буркхардт, — эволюция, похоже, изобрела централизованные нервные системы не один раз».
Связь нейронной структуры с поведением
Дополнительное подтверждение этим выводам получено в ходе смежных исследований, проведенных Кеем Джокурой из Национального института фундаментальной биологии в Японии совместно с профессором Гаспаром Джекели из Гейдельбергского университета. В отдельном исследовании, в котором также участвовал Буркхардт, ученые реконструировали полную нейронную сеть органа, воспринимающего гравитацию у гребневика.
Сочетая высокоскоростную съемку с трехмерной реконструкцией более 1000 клеток, исследователи показали, как сети слитых нейронов координируют биение ресничек на разных частях тела животного. Эта координация позволяет гребневикам сохранять свою ориентацию при движении в воде.
«Сходство с нейронными цепями у других морских организмов позволяет предположить, что аналогичные решения для восприятия гравитации могли независимо развиться в отдаленных линиях животных», — сказал Джокура.
Переосмысление происхождения нервной системы
В совокупности эти исследования позволяют предположить, что ранние нервные системы могли быть более централизованными, чем считали ученые ранее. По словам Феррайоли, следующий этап исследований будет сосредоточен на выявлении молекулярных характеристик вновь обнаруженных типов клеток и изучении того, насколько сильно аборальный орган влияет на поведение гребневиков.
Источник: www.sciencedaily.com
