Химическое воздействие на эмбрион привело к формированию у него мозга от другого вида. Правда, виды эти разошлись относительно недавно. Однако открытие явно проливает свет на многие аспекты эволюции животных.
Ученые из Технологического университета Джорджии (Georgia Institute of Technology) заставили нервную систему эмбриона развиваться по непривычному шаблону. В итоге у рыбы образовался мозг, характерный для ее видового сородича. Исследование проведено на животных, которые по эволюционным меркам произошли от общего предка совсем недавно -- 500 тысяч лет назад. Благодаря своей «молодости» эти виды сохраняют генетическую однородность, но имеют различное анатомическое строение.
Мозг по потребностям
В процессе эволюции мозг развивался только у тех живых организмов, которым он нужен для передвижения, поиска пищи, обороны. Те, кому центральная нервная система не нужна, довольствуются диффузной -- отдельными клетками, разбросанными по всему организму.
Так, у растений не появилась нервная система просто потому, что в ней нет необходимости. Отдельные клетки, реагирующие на химические, физические и электромагнитные раздражители, разбросаны по всему организму. Поэтому растения все-таки реагируют на изменение условий, но скорость растительных «рефлексов» на порядок ниже, чем у малоподвижных животных такого же размера. У растений нет необходимости быстро реагировать на внешние сигналы. Они получают минеральные вещества из почвы, а органические синтезируют самостоятельно. В холодные периоды года растения сводят к минимуму потребности в энергии и «засыпают».
У некоторых животных тоже нет центральной нервной системы. Так, у паразитических червей в процессе эволюции она появилась, но после исчезла. Упрощение нервной системы стало следствием образа жизни. В условиях, когда животному тепло, уютно и сытно – например, в печени хозяина, ему нет необходимости над чем-то «задумываться» и что-то «делать». Благоприятные условия существования в эволюционной перспективе ведут к утрате слишком энергоемкого органа -- мозга.
Головной мозг сильно отличается в зависимости от того, кому он принадлежит. В соответствии с «принадлежностью» мозг может сильно изменяться по форме, размеру, степени развитости тех или иных частей. Но это не означает, что, например, мозги рыбы и человека имеют кардинальные различия в структуре и функциях. Они схожи между собой ровно настолько, насколько похожи, например, мобильные телефоны разных производителей и моделей. То есть принципы работы и функции одинаковы; основные отличия – в дизайне и функциональном наполнении модели.
Нейрогенез -- сборка мозга
Нервная система начинает развиваться еще в эмбриональном периоде. На плодном этапе, когда у эмбриона уже сформированы зачатки всех органов, нервная система «дозревает». В этот период мозг заполняется нервными клетками -- нейронами. От того, насколько удачно пройдет нейрогенез, будут зависеть адаптивные и умственные способности животного.
У каждого вида нейрогенез продолжается определенное время. В этот период предшественники нейронов амебовидными движениями передвигаются по будущему мозгу и закрепляются в его отделах. Некоторые части нервной системы в зависимости от нужд животного могут развиваться интенсивнее. Как правило, во взрослом организме новые нейроны появляются только при острой необходимости -- в случае, когда организм восстанавливает износившийся или поврежденный участок нервной системы. Поэтому нейрогенез, протекающий в период развития эмбриона, имеет огромное значение для формирования поведенческих, приспособительных и рефлекторных навыков животных.
Основываясь на этих знаниях, ученые предполагают, что мозг различных видов животных может иметь значительные анатомические и функциональные особенности из-за того, что нейрогенез у одних заканчивается раньше, чем у других. Продолжительность развития мозга и приоритетное развитие тех или иных отделов регулируется работой генов.
Мальки с чужими мозгами
Доктор Джей Тодд Стрильман (J.Todd Streelman, Ph.D), студент биологического факультета Джонатан Сильвестер (Jonathan Sylvester) и другие исследователи из Технологического университета Джорджии изучили развитие мозга на примере цихлид. Эти рыбы относятся к одному из наиболее распространенных семейств среди позвоночных, общая численность видов которых достигает 1900. Многие представители цихлид содержатся в аквариумах, некоторые относятся к промысловым рыбам.
Для эксперимента ученые отобрали шесть видов цихлид, обитающих в озере Малави (Lake Malawi Stock): по три вида, обитающих в песках и на камнях. Среди отобранных животных были те, которые питаются планктоном. Эти виды цихлид (Copadichromis borleyi, Mchenga conophorus, Aulonocara jacobfreibergi) поднимают донную муть и фильтруют ее, вылавливая плавающие организмы. Другие виды (Labeotropheus fuelliborni, Maylandia zebra, Cynotilapia afra) обитают вблизи камней, откладывают икру в пещерках и соскребают пищу с твердой поверхности.
У рыб, выбранных для эксперимента, мозг имеет некоторые структурный отличия. Они появились как средство, которое обеспечивает нормальное существование в экологической нише. Так, мозг цихлид, роющихся в донном песке, имеет прямо противоположное соотношение теленцефалона и таламуса в переднем мозге по сравнению с мозгом рыб, которые обитают на камнях. Таким способом мозг настраивается на то, чтобы рыба могла вычленять из водной мути планктон и ловить его. Цихлиды, обитающие у камней, воспринимают визуальную информацию в 3D-формате и различают камни и растущие на них водоросли.
«Геномы этих цихлид практически идентичны. Проводя аналогии, можно сказать, что генетические различия у них такие же, как у разных представителей одного вида -- например, Homo Sapiens. В то же время по строению мозга этих животных можно отнести к разным таксономическим группам», -- говорит профессор Дж. Стрильман.
Сотни видов цихлид произошли от одного общего предка. Расхождние видов, по подсчетам ученых, произошло около 500 тысяч лет назад. Этот небольшой эволюционный срок позволяет наблюдать полиморфизмы в развитии мозга при практически одинаковом наборе генов. У приматов морфологическое разнообразие идентичных геномов не проявляется, так как расхождение видов произошло достаточно давно (около 150 млн лет назад). Поэтому каждому геному соответствует «свой мозг». У цихлид же, напротив, животные с похожим геномом имеют различную анатомию мозга. То есть у недавно образовавшихся видов есть гены, экспрессия которых может привести к различным морфологическим результатам.
Проведенное исследование показало, что предпочтительное развитие тех или иных структур мозга зависит от экспрессии генов и происходит на эмбриональной стадии.
Ученые попытались с помощью химических веществ изменить шаблон, по которому в работу включаются гены, и таким образом «переделать» мозг пещерной цихлиды в модель мозга песчаных рыб. Для этого исследователи в течение 3-5 часов действовали хлоридом лития на эмбрионы цихлид, которые уже находились в стадии, когда расставляются приоритеты в развитии отделов мозга.
Дальнейшее развитие эмбрионы проходили в воде. Ученые несколько раз вылавливали мальков и изучали анатомические особенности мозга. Как и предполагалось, хлорид лития увеличивает экспрессию гена wnt1, который входит в группу тех, что отвечают за развитие таламуса и теленцефалона.
Именно этот ген определяет поведенческие и анатомические особенности песчаных цихлид. Под действием хлорида лития произошло перераспределение предшественников нейронов, из-за чего развился таламус. То есть ученые вырастили пещерную цихлиду с мозгом той, что роется в песке.
«Нейрогенез имеет важное значение в развитии любого животного и эволюции. Мы узнали, что анатомия мозга определяется физиологическими реакциями на эмбриональном уровне. В следующих исследованиях мы постараемся найти связь между нейрогенезом и поведением», -- говорит профессор Стрильман.
Проведенное исследование помогает понять, как эволюционно происходило расхождение видов -- дивергенция. Более того, становится ясно, что в видообразовании задействованы в том числе и механизмы раннего нейрогенеза.
Статья Brain diversity evolves via differences in patterning опубликована 3 мая 2010 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
