Co má myš společného s chrupavkovitou rybou známou jako malá brusle?
Na první pohled si možná nemyslíte moc. Je načechraný, s velkými ušima a vousy; druhý dýchá žábry a vlní se kolem oceánu. Jedním z nich je laboratorní zvíře nebo domácí škůdce; druhý je nejpravděpodobněji vidět ve volné přírodě nebo na dně mělkého bazénu v akváriu. Ukázalo se však, že tito dva obratlovci mají něco společného: schopnost chodit. A důvod, proč by mohl změnit způsob, jakým uvažujeme o vývoji chůze v pozemních zvířatech - včetně lidí.
Nová genetická studie od vědců z New York University odhaluje něco překvapivého: Stejně jako myši, i malé brusle mají genetický plán, který umožňuje pravo-levý alternativní vzorec lokomoce, který používají čtyřnohá suchozemská zvířata. Tyto geny byly předávány od společného předka, který žil před 420 miliony let, dlouho předtím, než se první obratlovci kdy plazili od moře k pobřeží.
Jinými slovy, některá zvířata mohla mít nervové dráhy nezbytné pro chůzi ještě předtím, než žili na souši.
Nový výzkum, publikovaný dnes v časopise Cell, začal základní otázkou: jak se v průběhu času vyvinula nebo změnila různá motorická chování u různých druhů? Autor Jeremy Dasen, docent na Neurovědním institutu NYU, dříve pracoval na pohybu hadů. Inspiroval se, aby se podíval na brusle po přečtení knihy Neila Shubina, Vaše vnitřní ryba: Cesta do 3, 5leté historie lidského těla, ale nevěděl, kde začít.
"Neměl jsem tušení, jak vypadá brusle, " říká Dasen. "Už jsem to snědl v restauraci." Takže jsem udělal to, co všichni dělají, šel jsem na Google, abych našel videa bruslí. “Jednou z prvních věcí, které našel, bylo video na Youtube z průhledné brusle, která se chovala v chůzi. "Byl jsem rád, páni, to je fakt super!" Jak se to dělá? “Říká.
Dasen a další se pokusili zjistit pomocí bruslí shromážděných mořskou biologickou laboratoří v Woods Hole. Zaprvé, základy: Malé brusle jsou obyvateli zdola, kteří žijí po celém východním pobřeží Atlantského oceánu. Ve skutečnosti nemají nohy a jejich chůze nevyzerá jako člověk, který by šel na procházku. Používají přední pánevní ploutve zvané „crus“, umístěná pod mnohem větším kosočtvercovým ploutvem, které se při plavání zvlní.
Když se krmí, nebo se musí pohybovat pomaleji, zapojí své crus do levo-pravého střídavého pohybu podél mořského dna. Zezdola to skoro vypadá jako malé nohy, které pohánějí brusle vpřed.
Ale Dasen a jeho tým se nezajímali jen o biomechaniku; Chtěli identifikovat geny, které ovládaly motorické nervové dráhy pro chůzi na bruslích.
Při pohledu na uspořádání obratlovců často začínají genetici Hoxovy geny, které hrají klíčovou roli při určování tělesného plánu organismu. Pokud jsou geny vyřazeny nebo špatně uspořádány, může to pro zvíře znamenat katastrofu (jako v experimentu, ve kterém moucha vyrostla nohy namísto antén na hlavě poté, co vědci úmyslně vyhodili určité geny Hox).
Dasen a jeho kolegové se také podívali na genetický transkripční faktor zvaný Foxp1, který se nachází v míše v tetrapodech. Zjednodušené vysvětlení je, že funguje tak, že spouští motorické neurony, které umožňují pohyb chůze.
"Pokud vyrazíte [Foxp1] do modelových organismů, jako jsou myši, ztratili veškerou schopnost koordinovat svaly končetin, " říká Dasen. „Mají závažnou motorickou diskoordinaci, která jim brání v normálním chození.“ Není to tak, že myši bez Foxp1 nemají končetiny nebo svaly nutné pro chod - prostě nemají správné zapojení obvodů, aby tak činily.
Tato kombinace genů v malých bruslích, která jim umožňuje překonat cestu přes mořské dno při hledání večeře, se vrací až ke společnému předku, který žil před 420 miliony let - překvapení pro vědce, protože byla myslena schopnost chůze přijít po přechodu z moře na pevninu začalo, ne dříve. Skutečnost, že takové genetické rysy zůstaly tak dlouho a vyvíjely se tak jedinečným způsobem napříč různými druhy, pouze přidala Dasenovo vzrušení.
"Existuje mnoho literatury o vývoji končetin, ale to opravdu nebere v úvahu neuronální stránku věcí, protože je mnohem těžší studium, " říká Dasen. "Neurony a nervy nemají fosilní záznam." Existuje mnohem lepší způsob, jak studovat evoluci při pohledu na kostnaté struktury. “
Spousta vědců vyhledala fosilní záznamy o nejstarších pozemních obyvatelech. Je tu Elginerpeton pancheni, časný tetrapod, který žil před oceánem asi před 375 miliony let. A pak je tu Acanthostega, další starověký obratlovec, který vědci nedávno analyzovali, aby se dozvěděli o jeho vzorcích růstu končetin a sexuální zralosti.
Mezitím další biologové získali stopy tím, že se podívali na některé z nejpodivnějších živých ryb, z nichž mnohé mají starodávné linie. Někteří se dívali na coelacanths a sarcopterygians, nebo lungfish (latter používat jejich pánevní ploutve pohybovat se v pohybu jako chůze). Jiní vyšetřovali bishrské hnutí. Africké druhy ryb jsou vybaveny plícemi i žábry, takže mohou přežít z vody - a mají hnutí podobné chůzi, když jsou nuceni žít na souši, jak je vidět v experimentu z roku 2014, který provedla biologka University of Ottawa Emily Standen a ostatní.
Standen říká, že nový výzkum na malých bruslích velmi obdivuje. "Čekala bych, že by to bylo docela podobné (v systémech za pohybem různých zvířat), ale skutečnost, že je tak blízko, jako by to bylo krásné překvapení, " říká. "Hovoří s tím, v co věřím, že nervový systém a jeho vývoj a funkce jsou velmi flexibilní."
Tato flexibilita byla jednoznačně klíčem v evoluční historii. Díky tomuto 420 milionu letému předku máme nyní všechno od ryb, které plavou, hadů, kteří sklouznou, myší, které chodí, bruslí, které používají kombinaci pohybů - s genem Foxp1 exprimovaným nebo potlačeným v závislosti na jedinečný tělesný plán a pohyb zvířat.
A teď, když víme o něco více, co řídí tento pohyb ve bruslích, je možné, že znalosti by mohly mít budoucí využití při porozumění bipedalismu u lidí.
"Základní princip, kterým se motorické neurony připojují k různým obvodům, není ve skutečnosti vypracován [ve složitých organismech], takže brusle je způsob, jak se na to dívat ve zjednodušeném systému, " říká Dasen. Nechce se však příliš před námi předpovídat, co by to mohlo znamenat pro budoucnost. Dasen jen doufá, že po shlédnutí výzkumu si lidé jednoduše pomyslí: „Gee whiz, to je opravdu elegantní. Mohou chodit! “
