Рис. 1. Приморский гребешок (Patinopecten yessoensis). Фото с сайта inaturalist.org
Большая группа китайских авторов, изучив транскриптом (совокупность непосредственных продуктов генов) двустворчатого моллюска под названием приморский гребешок, пришла к выводу, что самой эволюционно молодой частью жизненного цикла моллюсков является планктонная личинка — трохофора. Проведя сравнительное исследование, они предложили гипотезу, что личинки всех животных — от губок до оболочников — являются наследниками единственного крупного эволюционного события: «изобретения» планктонной личинки, случившегося в начале эволюции многоклеточных животных и затронувшего их всех, за исключением, возможно, гребневиков.
Проблема происхождения многоклеточных животных давно привлекает внимание ученых. За последние 150 лет чуть ли не каждый крупный зоолог считал своим долгом высказаться на эту тему. Такой интерес легко понять. В конце концов, люди тоже многоклеточные животные, да и мир всех остальных животных сам по себе необычайно богат и многообразен. В то же время проблема эта очень запутана. Конечно, тех, кто интересуется эволюцией, запутанными вопросами не удивишь, но проблема происхождения многоклеточных животных выделяется даже на таком фоне. Трудности тут особые.
Прежде всего, при исследовании происхождения первых животных почти бесполезна палеонтология. Их микроскопические предки вряд ли имели шансы сохраниться в ископаемом состоянии (см., впрочем: Описаны поздние стадии развития загадочных эдиакарских эмбрионов, «Элементы», 15.12.2014). Среди современных организмов готового прообраза общего предка многоклеточных животных тоже не найти. Как говорится, слишком много воды утекло с тех пор. Слишком многие эволюционные ветви, вероятно, занимавшие на древе переходное положение, успели полностью вымереть. Ближайшие современные родственники многоклеточных животных — воротничковые жгутиконосцы — их прямыми предками точно не являются.
Можно, конечно, попытаться мысленно «собрать» модель предка многоклеточных животных, используя быстро накапливающиеся молекулярно-биологические данные по регуляторным генам, сигнальным белкам и тому подобной клеточной начинке. Такие исследования часто дают очень интересную информацию (см., например: У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды, 25.10.2013). Но здесь желательно точно знать, на какие именно вопросы мы хотим ответить. Любой живой организм многогранен: кроме сложной физиологии, у него есть еще и жизненный цикл, разные стадии которого могут очень сильно различаться между собой. К многоклеточным животным (и, вероятно, к их ближайшим предкам) это тоже относится.
Одна из самых больших загадок, связанных с первыми стадиями эволюции многоклеточных животных — это загадка происхождения их личинок. Тема эта уже подробно обсуждалась на «Элементах» (см., например: Общее происхождение трохофор и диплеврул: за и против, «Элементы», 06.02.2020), поэтому сейчас достаточно дать короткое резюме, что-то вроде «краткого содержания предыдущих серий». У многих морских животных, начиная с губок и заканчивая относительно близкими родственниками позвоночных (такими, как полухордовые), имеются планктонные личинки, совершенно не похожие на взрослых особей и плавающие архаичным способом, с помощью ресничек. Примеры таких личинок — целобластула, амфибластула, цинктобластула или паренхимула губок (см. А. В. Ересковский, А. Э. Вишняков, 2015. Губки (Porifera)), трохофора кольчатых червей и моллюсков, диплеврула полухордовых и иглокожих.
Эти ресничные личинки издавна занимают воображение биологов. Многие видели в них своего рода гостей из очень далекого эволюционного прошлого, краткое повторение (рекапитуляцию) тех эволюционных стадий, когда многоклеточные животные только-только возникали. Это представление идет еще от Эрнста Геккеля (Ernst Haeckel) и до сих пор поддерживается некоторыми видными зоологами, например Клаусом Нильсеном (Claus Nielsen).
Альтернативная идея состоит в том, что первые животные на всех стадиях своего жизненного цикла были донными, а все типы планктонных личинок — неважно, ресничных или нет — появились гораздо позже (см., например: А. Ю. Журавлев, 2014. Ранняя история Metazoa — взгляд палеонтолога). В этом случае никакой рекапитуляции нет, и никаких сигналов о преемственности с «доживотными» формами жизни морфология ресничных личинок не несет.
Неудивительно, что в нашу эпоху торжества молекулярной биологии и биоинформатики нашлись ученые, решившие устроить прямую проверку этих гипотез по большой совокупности молекулярных данных. Почти столь же ожидаемо, что этими учеными оказались трудолюбивые китайцы — в данном случае сотрудники Океанологического университета Китая в городе Циндао и нескольких других китайских научных учреждений, тоже занимающихся морской биологией. Главным объектом исследования стал представитель двустворчатых моллюсков — приморский гребешок (Patinopecten yessoensis; рис. 1). Этот моллюск, живущий на азиатской окраине Тихого океана, является популярным объектом аквакультуры: его разводят (в том числе и в России) ради вкусного мяса и красивых раковин.
Выбор объекта был надежно обоснован. Моллюски — группа безусловно очень древняя (даже кимберелла, одно из древнейших ископаемых двусторонне-симметричных животных, схожа с моллюсками по ряду признаков; см. A. Y. Ivantsov, 2017. The most probable Eumetazoa among late Precambrian macrofossils). У гребешка, как и у многих двустворок, есть типичная личинка-трохофора, плавающая с помощью ресничных шнуров (см. картинку дня Трохофора). Личинки такого типа широко распространены и у других морских животных. Есть все основания считать, что трохофора восходит как минимум к общему предку моллюсков и кольчатых червей (см. Обнаружено ископаемое животное, близкое к общим предкам моллюсков и кольчатых червей, «Элементы», 06.03.2007). Это означает, что она возникла не позже начала кембрийского периода, то есть примерно в те времена, которые нас и интересуют. Наконец, технология разведения гребешков давно отработана, и по этой части исследователи были вообще избавлены от хлопот; стоит помнить, что многих других морских животных разводить в искусственных условиях или невозможно, или очень трудно.
Итак, пусть в нашем распоряжении есть полный жизненный цикл гребешка — от оплодотворенной яйцеклетки до взрослого моллюска. Какую информацию, позволяющую оценить эволюционное значение разных стадий, можно оттуда современными средствами извлечь?
Современная эволюционная биология развития, как правило, исходит из того, что «центральный аспект развития животных — это регуляция транскрипции» (A. Sebe-Pedroz et al., 2013., Early evolution of the T-box transcription factor family). Любое животное имеет набор генов, который повторяется в каждой клетке многоклеточного организма (из этого правила есть исключения, но они нам сейчас неважны). Каждый ген способен экспрессироваться, то есть выдать свой продукт — молекулу РНК, на основе которой (если это мРНК) потом будет создан белок. Синтез РНК на матрице гена называется транскрипцией. В каждом организме в каждый данный момент времени какие-то гены транскрибируются, а какие-то нет. Сумма всех транскриптов (то есть молекул РНК), которые считываются с активных генов, называется транскриптомом. Транскриптом — это уникальный «портрет» активности генов. Свой транскриптом характерен не только для каждого организма, но и для каждой отдельной стадии жизненного цикла. Это понятно: какие-то гены активны только у зародышей, какие-то — только у взрослых форм.
Китайские биологи составили подробный атлас активности генов на всех стадиях развития приморского гребешка, от оплодотворенной яйцеклетки до взрослого моллюска. Полученные данные были подвергнуты изощренной математической обработке: например, исследовалась совместная активность (коэкспрессия) разнообразных генов и строились сложные диаграммы, показывающие, какие гены обычно работают вместе. Особое внимание, конечно, было уделено регуляторным генам, влияющим на работу других генов (см. Факторы транскрипции). Материала набралось много.
Дальше китайские авторы использовали подход, который называется быстро входящим сейчас в моду словом «филостратиграфия». Это как бы послойное исследование множества разных генов, выявляющее, какие из них более древние, а какие более молодые. Для каждой стадии индивидуального развития гребешка был определен параметр, называемый индексом возраста транскриптома (transcriptome age index, TAI): попросту говоря, он отражает эволюционную молодость генов, которые на этой стадии экспрессируются. Если TAI мал, значит, гены, активные на данной стадии развития, — преимущественно древние, и сама стадия, вероятно, тоже эволюционно архаична. Если же TAI велик, то все наоборот: гены, активные на этой стадии, — преимущественно молодые. Предполагается, что таким образом можно исследовать эволюцию жизненного цикла — или, во всяком случае, восстановить последовательность, в которой стадии этого цикла возникали.
Оказалось, что из всех стадий развития гребешка самым «молодым» транскриптомом обладает именно трохофора (рис. 2). Она выделяется по этому показателю на фоне всех остальных стадий, как более ранних, так и более поздних. Возникает впечатление, что стадия трохофоры — самая эволюционно молодая в типичном жизненном цикле моллюсков.
Рис. 2. a — трохофора приморского гребешка (электронная микрофотография, длина масштабного отрезка — 10 мкм). ap — апикальная пластинка, at — апикальный султан ресничек, pt — прототрох. b — параметры транскриптомов разных стадий развития гребешка. Сами стадии развития отложены по горизонтали, значения параметров — по вертикали. TAI — индекс возраста транскриптома (transcriptome age index), TS — транскриптомное сходство (transcriptome similarity), характеризующее уникальность транскриптома данной стадии на фоне других стадий. У трохофоры (Tro) индекс возраста транскриптома максимален, а транскриптомное сходство минимально. Эта стадия — самая молодая (с точки зрения генетики развития) и самая оригинальная. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution
Интересно, что на стадии трохофоры у гребешка экспрессируется больше факторов транскрипции, чем на любой другой стадии развития. При этом ее своеобразие, судя по анализу транскриптомов, очень высоко. Китайские авторы даже называют эту стадию «разрывной» (disruptive). Можно предположить, что ее эволюция была особенно быстрой.
Отсюда уже один шаг до предположения, что трохофора была относительно недавно (разумеется, в макроэволюционном масштабе времени) вставлена куда-то в середину жизненного цикла, в котором ее изначально не было. Такая версия существует довольно давно, и называется она гипотезой интеркаляции (то есть вставки; см. Современный анализ типов развития морских беспозвоночных подтверждает выдвинутую Геккелем теорию гастреи, «Элементы», 30.09.2013). По мнению китайских исследователей, полученные ими молекулярно-биологические результаты эту гипотезу неплохо подтверждают.
Конечно, дело не ограничилось одним гребешком. В анализ были включены доступные транскриптомы нескольких других трохофорных животных — моллюсков и кольчатых червей. Выводы, полученные на гребешке, при этом в основном подтвердились. Вклад в высокий TAI трохофор этих животных дают факторы транскрипции (неудивительно), а также, например, гены, кодирующие белки межклеточных контактов. Все это — важный инструментарий для построения многоклеточного тела.
Здесь уместно вспомнить, что для тех животных, у которых она есть, трохофора часто считается филотипической стадией, — стадией развития, на которой организмы некоторой крупной группы проявляют максимум сходства между собой (см. Смысл консервативной стадии зародышевого развития начинает проясняться, «Элементы», 31.03.2017). На филотипической стадии в большой мере закладывается план строения. Вот почему на стадии трохофоры работает так много регуляторных генов.
Китайские биологи, как видим, считают, что стадия трохофоры является еще и эволюционной инновацией. Тогда возникает следующий вопрос: уникальна ли она для трохофорных животных? Может быть, и другие ресничные личинки имеют такое же происхождение, а трохофора — лишь продукт специализации одной из эволюционных линий? Чтобы разобраться в этом, авторы привлекли к делу и транскриптомы нетрохофорных животных. У них ведь тоже есть ресничные личинки — например, уже упоминавшиеся диплеврулы полухордовых и иглокожих. Более того, от широкой души китайцы включили в анализ оболочников (у которых никаких ресничных личинок нет) и даже губок, которые от любых двусторонне-симметричных животных очень далеки. И для всех них более или менее подтвердился вывод, что на взрослых стадиях активны более древние гены, чем на личиночных. Личиночные транскриптомы в среднем моложе. Это выглядит как общая закономерность.
В итоге авторы выдвигают гипотезу единичной интеркаляции, согласно которой «изобретение» планктонной личинки произошло один раз, в начале эволюции животных (рис. 3). Эта гипотеза противостоит более распространенной гипотезе множественной интеркаляции, предполагающей, что планктонные личинки возникали много раз независимо. Единственные, на кого она в любом случае не распространяется — гребневики (см. Сравнительная геномика вынуждает пересмотреть место гребневиков на эволюционном древе животных, «Элементы», 18.12.2015). У гребневиков личинок нет и, вероятно, никогда не было. Стадий с транскриптомами «личиночного» типа у них не обнаруживается. Авторы, похоже, склонны симпатизировать гипотезе, что именно гребневики и есть самая древняя ветвь животных (см. Геном гребневиков говорит в пользу двукратного возникновения нервной системы у животных, «Элементы», 19.12.2013). Тогда картина получается относительно стройной: у первых многоклеточных животных личинки не было, и у гребневиков ее не было, а вот начиная с губок она была «изобретена», и далее наблюдается преемственность личиночных стадий.
Рис. 3. Гипотеза единичной интеркаляции. Между гребневиками и губками к линии эволюции взрослых форм присоединяется линия эволюции личинок. Эта линия непрерывна: личинка, происходящие от некой первичной личинки, есть и у губок (Porifera), и у стрекающих (Cnidaria), и у трохофорных животных (Lophotrochozoa), и у вторичноротых (Deuterostomia). Её нет только у гребневиков (Ctenophora). Интересно, что в качестве примера личинки вторичноротых тут показана не диплеврула, а хвостатая личинка оболочников, не имеющая ни с какими ресничными личинками ничего общего. С тем же успехом можно было бы нарисовать, например, головастика лягушки. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution
Но считать проблему решенной пока нельзя. К авторам гипотезы единичной интеркаляции возникают вопросы, и не один, а несколько.
Во-первых, далеко не факт, что гипотеза «первичности гребневиков» верна. Сейчас накапливаются аргументы в пользу более классической версии, согласно которой древнейшая группа многоклеточных животных — все-таки губки (см. «Первичность губок» опережает по очкам «первичность гребневиков», «Элементы», 12.11.2019). В таком случае картина сразу усложняется: единичного «изобретения» планктонной личинки с последующей сплошной преемственностью, охватывающей и губок, и двусторонне-симметричных животных, никак не выходит. А что выходит — непонятно. Видимо, не случайно китайские авторы эту альтернативу просто-напросто не обсуждают.
Во-вторых, с генами, дающими вклад в «молодой» транскриптом трохофоры гребешка, всё не так уж просто. Не все, но довольно многие из этих генов специфичны для трохофорных животных, а некоторые — только для моллюсков или даже только для двустворок. Но тогда их нельзя использовать как свидетельство общего происхождения трохофор и других типов личинок. На это обратил внимание Константин Викторович Халтурин, петербургский зоолог, работающий в данный момент в Окинавском институте науки и технологии (Okinawa Institute of Science and Technology). Может оказаться, что трохофора все же уникальна.
В-третьих, история личинок многоклеточных животных — очень длинная. Китайские авторы сейчас отважно стремятся встроить все ее эпизоды в один ряд, но возможно ли это? Недавно на «Элементах» обсуждалась работа академика Владимира Васильевича Малахова с коллегами (Общее происхождение трохофор и диплеврул: за и против, «Элементы», 06.02.2020), в которой проводится идея, что в эволюции животных было как минимум две генерации ресничных личинок: первая — бластулообразные радиально-симметричные личинки губок, а вторая — трохофоры и диплеврулы, обладающие строгой двусторонней симметрией и специализированными компактными ресничными шнурами. По Малахову, механизмы их происхождения серьезно различались. А ведь есть и личинки, которые вообще не являются ресничными — например, личинки членистоногих и хордовых. Китайские авторы стараются свести все это многообразие к единственному главному эволюционному приобретению, но детального сценария того, как все могло бы произойти, они не предлагают. Судя по всему, тема происхождения и эволюции личинок еще долго останется интригующей.
Источник: elementy.ru
