Capurile celor mai multe animale sunt ușor de identificat, dar oamenii de știință nu au putut spune același lucru despre stelele de mare până acum.
O stea de mare are cinci brațe identice, cu un strat de “picioare tubulare” sub ele, care pot ajuta creatura marină să se deplaseze pe fundul mării, ceea ce i-a făcut pe naturaliști să se întrebe dacă stelele de mare au capetele din față și din spate definite – și dacă au cap sau nu.
Dar noile cercetări genetice sugerează contrariul – că stelele de mare sunt în mare parte capete care nu au tors sau coadă și probabil că au pierdut aceste caracteristici evolutiv de-a lungul timpului.
Cercetătorii au declarat că fosilele bizare ale strămoșilor stelelor de mare, care păreau să aibă un fel de trunchi, au mult mai mult sens din punct de vedere evolutiv în lumina noilor descoperiri.
Descoperirile au fost publicate miercuri în revista Nature.
“Este ca și cum stelei de mare îi lipsește complet trunchiul și este cel mai bine descrisă ca fiind doar un cap care se târăște pe fundul mării”, a declarat într-un comunicat autorul principal al studiului, Laurent Formery, cercetător postdoctoral la Universitatea Stanford și la Universitatea din California, Berkeley. “Nu este deloc ceea ce oamenii de știință au presupus despre aceste animale”.
Dezvăluirile, posibile datorită noilor metode de secvențiere genetică, ar putea ajuta la găsirea răspunsurilor la unele dintre cele mai mari întrebări rămase despre echinoderme, inclusiv la strămoșii lor comuni cu oamenii și alte animale care nu seamănă deloc cu ei.
Un plan corporal unic
Stelele de mare aparțin unui grup numit echinoderme, care include arici de mare, dolari de nisip și castraveți de mare. Aceste animale neobișnuite au planuri corporale unice, dispuse în cinci secțiuni egale, care diferă foarte mult de corpurile simetrice cap-coadă ale animalelor bilaterale, care au părțile stângă și dreaptă care se oglindesc una în cealaltă.
Stelele de mare încep sub formă de ouă fertilizate care eclozează și devin larve care plutesc în ocean, precum planctonul, timp de săptămâni sau luni înainte de a se stabili pe fundul oceanului. Acolo, ele trec printr-un proces care transformă un corp bilateral într-o formă de stea, sau corp pentaradial.
“Acesta a fost un mister zoologic timp de secole”, a declarat într-un comunicat coautorul principal al studiului, Christopher Lowe, biolog marin și biolog de dezvoltare la Universitatea Stanford. “Cum poți trece de la un plan corporal bilateral la un plan pentaradial și cum poți compara orice parte a stelei de mare cu propriul nostru plan corporal?”.
Planul corporal bilateral pe care îl au majoritatea animalelor provine din acțiuni genetice la nivel molecular care pot fi urmărite în regiunile capului și trunchiului, sau corpul principal, motiv pentru care vertebratele, precum oamenii, și multe nevertebrate, inclusiv insectele, au o programare genetică similară. Această descoperire a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină în 1995.
Dar echinodermele au, de asemenea, un strămoș comun cu animalele bilaterale, ceea ce se adaugă la puzzle-ul pe care cercetătorii încearcă să îl rezolve.
“Modul în care diferitele părți ale corpului echinodermelor se raportează la cele pe care le vedem la alte grupuri de animale a fost un mister pentru oamenii de știință de când le studiem”, a declarat într-un comunicat coautorul studiului, Dr. Jeff Thompson, lector la Universitatea din Southampton. “La rudele lor bilaterale, corpul este împărțit în cap, trunchi și coadă. Dar, doar uitându-ne la o stea de mare, este imposibil să vedem cum aceste secțiuni se raportează la corpurile animalelor bilaterale.”
Descifrarea codului echinodermelor
Cercetătorii care au realizat noul studiu au folosit scanarea prin tomografie computerizată pentru a obține o imagine tridimensională fără precedent a formei și structurii stelelor de mare.
Apoi, membrii echipei au folosit tehnici analitice avansate pentru a identifica unde sunt exprimate genele în țesuturi și pentru a localiza secvențe specifice de ARN în interiorul celulelor. Expresia genelor are loc atunci când informațiile din cadrul unei gene devin funcționale.
Markerii moleculari specifici acționează ca niște schițe ale planului corpului, direcționând fiecare celulă către regiunea corpului căreia îi aparține.
“Dacă îndepărtați pielea unui animal și vă uitați la genele implicate în definirea capului de coadă, aceleași gene codifică aceste regiuni ale corpului în toate grupurile de animale”, a declarat Lowe. “Așa că am ignorat anatomia și am întrebat: Există o axă moleculară ascunsă sub toată această anatomie ciudată și care este rolul ei în formarea unui plan corporal pentaradial de către o stea de mare?”.
Împreună, datele au creat o hartă 3D pentru a determina unde au fost exprimate genele pe măsură ce stelele de mare se dezvoltau și creșteau. Echipa a reușit să determine genele care controlează dezvoltarea ectodermului stelei de mare, care include pielea și sistemul nervos.
Semnăturile genetice asociate cu dezvoltarea unui cap au fost detectate pe toată suprafața stelelor de mare, concentrate în special în centrul stelei și în centrul fiecărui membru. Dar expresia genetică pentru secțiunile trunchiului și cozii au fost în mare parte absente, dezvăluind că stelele de mare “au cel mai dramatic exemplu de decuplare a regiunilor capului și trunchiului de care avem cunoștință astăzi”, a declarat Formery, care este, de asemenea, cercetător la Chan Zuckerberg Biohub, o organizație de cercetare non-profit din San Francisco.
Cercetarea a fost finanțată de Chan Zuckerberg Biohub, lansat în 2016 de Dr. Priscilla Chan și Mark Zuckerberg, precum și de NASA, National Science Foundation și Leverhulme Trust.
“Când am comparat expresia genelor la o stea de mare cu alte grupuri de animale, cum ar fi vertebratele, s-a dovedit că lipsește o parte crucială a planului corpului”, a spus Thompson. “Genele care sunt de obicei implicate în modelarea trunchiului animalului nu erau exprimate în ectoderm. Se pare că întregul plan corporal al echinodermelor este aproximativ echivalent cu cel al capului din alte grupuri de animale.”
Stelele de mare și alte echinoderme și-au dezvoltat probabil planurile corporale unice odată ce strămoșii lor și-au pierdut regiunea trunchiului, permițându-le să se deplaseze și să se hrănească în mod diferit față de alte animale.
“Cercetarea noastră ne spune că planul corporal al echinodermelor a evoluat într-un mod mai complex decât se credea anterior și că mai sunt încă multe de învățat despre aceste creaturi intrigante”, a declarat Thompson. “Ca cineva care le-a studiat în ultimii zece ani, aceste descoperiri au schimbat radical modul în care mă gândesc la acest grup de animale”.
Descoperirea unor noi perspective
Cercetarea pe animale vizează în mare măsură animalele care au asemănări cu oamenii. Dar studierea unor grupuri precum echinodermele ar putea rezolva unele dintre cele mai complexe mistere legate de evoluția vieții pe Pământ.
“Cele mai multe animale nu au sisteme nervoase spectaculoase și sunt în căutare de pradă – sunt animale modeste care trăiesc în vizuini în ocean. În general, oamenii nu sunt atrași de aceste animale, și totuși ele reprezintă, probabil, modul în care o mare parte din viață a început”, a declarat Lowe.
Înțelegerea modului în care s-au dezvoltat animale precum stelele de mare ar putea permite, de asemenea, să se înțeleagă modalitățile variate prin care diferite specii rămân sănătoase.
“Cu siguranță este mai greu să lucrezi în organisme care sunt mai puțin studiate”, a declarat într-un comunicat Daniel Rokhsar, coautor al studiului, profesor de genetică, genomică, evoluție și dezvoltare la Universitatea din California, Berkeley, și cercetător la Chan Zuckerberg Biohub.
“Dar dacă profităm de oportunitatea de a explora animale neobișnuite care funcționează în moduri neobișnuite, înseamnă că ne lărgim perspectiva asupra biologiei, ceea ce ne va ajuta în cele din urmă să rezolvăm atât probleme ecologice, cât și biomedicale”.
