На протяжении веков натуралисты ломали голову над тем, что может представлять собой голова морской звезды. Глядя на червяка или рыбу, понятно, какой конец — голова, а какой — хвост. Но с их пятью одинаковыми руками никто не мог понять, как отличить переднюю часть организма от задней. Это необычное строение тела привело многих к выводу, что у морских звезд, возможно, вообще нет головы.
Но теперь биологи из Стэнфордского университета и других стран обнаружили, что истина ближе к абсолютно противоположному. Хотя они обнаружили генные сигнатуры, связанные с развитием головы, практически повсюду у молодых морских звезд, экспрессия генов, которые кодируют туловище и хвостовую часть животного, в основном отсутствовала. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Морские звезды (морские звезды) относятся к группе животных, называемых иглокожими, куда также входят морские ежи и песчаные доллары. Иглокожие имеют уникальное «пятикратно симметричное» строение тела, что означает, что их части тела расположены в пяти равных частях.
Это сильно отличается от их двусторонних предков, у которых левая и правая стороны зеркально отражают друг друга, как у людей и многих других животных.
«Как различные части тела иглокожих соотносятся с теми, которые мы видим у других групп животных, было загадкой для ученых с тех пор, как мы их изучали», — сказал доктор Джефф Томпсон из Университета Саутгемптона.
У их двусторонних родственников тело разделено на голову, туловище и хвост. Но, просто глядя на морскую звезду, невозможно увидеть, как эти участки соотносятся с телами двусторонних животных.
«Это было зоологической загадкой на протяжении веков», — сказал профессор Стэнфордского университета Крис Лоу. «Как можно перейти от двустороннего плана тела к пентарадиальному плану и как можно сравнить любую часть морской звезды с нашим собственным планом тела?»
В новом исследовании ученые сравнили молекулярные маркеры морской звезды Patiria miniata с другими вторичноротыми — более широкой группой животных, включающей иглокожих и двусторонних животных, таких как позвоночные.
У них общий предок, поэтому, сравнивая их развитие, они смогут узнать больше о том, как иглокожие развили свое уникальное строение тела.
Ученые использовали различные высокотехнологичные молекулярные и геномные методы, чтобы понять, где различные гены экспрессируются во время развития и роста морских звезд. Они использовали микроКТ-сканирование, чтобы понять форму и строение животного в беспрецедентных деталях.
Затем они использовали томографию РНК и гибридизацию in situ, чтобы создать трехмерную карту экспрессии генов морской звезды и выяснить, где конкретные гены экспрессируются во время развития. В частности, они нанесли на карту экспрессию генов, которые контролируют развитие эктодермы, включающей нервную систему и кожу. Известно, что это отмечает передне-задний (спереди назад) рисунок в телах других вторичноротых.
Они обнаружили, что этот рисунок коррелирует с осью от средней линии к боковой оси рукавов морской звезды — при этом средняя линия руки представляет собой переднюю часть, а крайние боковые части больше похожи на заднюю часть.
У вторичноротых имеется особый набор генов, экспрессируемых в эктодерме туловища. Но у морской звезды многие из этих генов вообще не экспрессируются в эктодерме.
«Когда мы сравнили экспрессию генов у морской звезды с другими группами животных, например, позвоночными, оказалось, что отсутствует важная часть строения тела», — сказал доктор Томпсон. «Гены, которые обычно участвуют в формировании рисунка туловища животного, не экспрессируются в эктодерме. Похоже, что строение тела иглокожих примерно эквивалентно строению головы у других групп животных».
Это говорит о том, что морские звезды и другие иглокожие, возможно, развили свое пятисекционное тело, утратив туловище своих двусторонних предков.
Это позволило бы иглокожим двигаться и питаться иначе, чем двусторонне-симметричным животным.
«Наше исследование показывает, что строение тела иглокожих развивалось более сложным образом, чем считалось ранее, и еще многое предстоит узнать об этих интригующих существах», — сказал доктор Томпсон. «Как человек, изучавший их в течение последних десяти лет, эти открытия радикально изменили мое мнение об этой группе животных».
