Головной мозг современного человека выглядит как сияющий венец эволюции, но у этого достижения очень глубокие корни: наш головной мозг появился в результате сотен миллионов лет постепенного усложнения.
Биологи-эволюционисты проследили данный прогресс, ретроспективно исследуя ветвь генеалогического древа животных, к которой принадлежат все существа с центральной нервной системой, билатерии, но несомненно, что фундаментальные элементы этой системы сформировались гораздо раньше.
Насколько раньше, стало совершенно ясно благодаря недавнему открытию, сделанному группой исследователей из Эксетерского университета (University of Exeter), Великобритания. Они обнаружили, что химические предшественники двух важных нейромедиаторов, или сигнальных молекул, которые используются нервной системой, появились во всех основных группах животных, предшествовавших существам с центральной нервной системой.
Большим сюрпризом, однако, оказалось то, что эти молекулы присутствуют также у одноклеточных родственников животных, называемых хоанофлагеллятами. Открытие эксетерских учёных показало, что нейропептиды животных возникли ещё до начала эволюции самых первых животных.
Это открытие «решает давний вопрос о том, когда и как эволюционировали нейропептиды животных», отмечает Павел Буркхардт (Pawel Burkhardt), изучающий эволюционное происхождение нейронов в Сарсовском международном центре морской молекулярной биологии (Sars International Center for Marine Molecular Biology), Норвегия. Кроме того, оно указывает на то, что, по меньшей мере, некоторые сигнальные молекулы, имеющие фундаментальное значение для нашего головного мозга, были созданы эволюцией для выполнения совершенно другой функции и появились в организмах, состоявших из одной-единственной клетки.
Нервную систему животных образуют связанные друг с другом нейроны, которые через синапсы мгновенно посылают информацию, используя множество крохотных пептидных нейротрансмиттеров. Эти пептиды — язык, с помощью которого нейроны общаются друг с другом.
Но, когда биологи-эволюционисты попытались определить, какие клетки животных первыми начали использовать данный язык, отсутствие ясной картины ранней эволюции животных не позволило им решить эту задачу. Разнообразные молекулы, очень похожие на нейропептиды, продуцируются почти всеми группами наиболее древних животных, включая гребневиков (Ctenophora) и книдариев (медуз, коралловых полипов и морских анемонов). Даже чрезвычайно простые животные, называемые плакозоанами, у которых нет клеток, напоминающих нейроны, продуцируют нейропептиды. Исключение, и, по-видимому, единственное, — губки, поэтому считалось, что свойственные животным нейропептиды появились у книдариев и гребневиков уже после того, как губки ответвились от остальной части древа животных.
У данной теории есть, однако, слабое место: аминокислотные последовательности нейропептидов древнейших животных настолько отличаются от этих же последовательностей билатериев, что ни одно из древнейших животных не имеет такого сходства с билатериями, чтобы его можно было уверенно называть их предком. Хуже того, большое разнообразие неродственных нейропептидов продуцируется и многими одноклеточными животными, или простейшими. Эволюционный путь нейропептидов головного мозга, казалось, затерялся в дебрях.
Эту трудность недавно удалось преодолеть Луису Яньесу-Гуерре (Luis Yañez-Guerra), который изучает эволюционную нейробиологию в лаборатории Гаспара Жекели (Gáspár Jékely) в Эксетерском университете. Чтобы проследить происхождение и эволюцию различных нейропептидов животных, Яньес-Гуерра разместил нейропептиды на эволюционном древе самых древних животных и их близких родственников, хоанофлагеллят.
У Яньеса-Гуерры, благодаря его докторской диссертации, уже был большой список нейропептидов животных, и, приступив к дальнейшему поиску по древу животных, он вдруг обнаружил, что белковыми предшественниками двух зрелых нейропептидов, фениксина и несфатина, являются хоанофлагелляты.
Присутствие фениксина и несфатина в хоанофлагеллятах было неожиданностью, поскольку нейропептиды обычно появляются в контексте нейронов-отправителей и нейронов-получателей. «Это трудно понять, имея дело с одноклеточным организмом, — говорит Яньес-Гуерра. — Выходит, что эволюция этих нейронных молекул началась ещё до того, как возникла необходимость в обширной коммуникации между клетками. Вот почему это открытие оказалось шокирующим».
В качестве нейропептидов предшественники фениксина и несфатина не используются нервной системой непосредственно; вместо этого длинные пептиды хоанофлагеллят выступают как химические предшественники, которые, чтобы стать функциональными, зрелыми нейропептидами, должны быть разрезаны и переработаны в более мелкие молекулы. Эта их самобытность не лежит на поверхности, и, вероятно, поэтому, учёные не сразу идентифицировали их как основу для перспективных направлений исследовательской деятельности.
Продолжая поиск данных об экспрессии генов, Яньес-Гуерра подтвердил свою догадку о ключевой роли фениксина и несфатина в осмыслении эволюции нейропептидов. Оказалось, что пептиды-предшественники присутствуют не только у хоанофлагеллят, но и у всех древнейших животных — даже у губок, где их долго не замечали.
Молекулы-предшественники в хоанофлагеллятах столь непосредственно связаны с этими обнаруженными у всех животных нейропептидами, что Буркхардт счёл правомерным выдвинуть следующую гипотезу: «Последний общий предок всех животных, вероятно, имел, по меньшей мере, два нейропептида».
Естественно возникает вопрос: что делали эти предшественники нейропептидов в хоанофлагеллятах, если не было нервной сигнализации? Окончательного ответа пока нет. Хоанофлагелляты, по всей видимости, продуцируют зрелый нейропептид фениксин, но не продуцируют зрелый нейропептид несфатин. Вполне возможно, что хоанофлагелляты использовали свои нейропептиды фениксина для связи друг с другом, например, для координации формирования колоний хоанофлагеллят.
Однако в своей статье Яньес-Гуерра и его коллеги вдобавок предполагают, что эти предшественники — многофункциональные молекулы-«совместители», которые, судя по их пептидным последовательностям, секретируются. Учёные также отметили, что, хотя предшественник фениксина может быть переработан в нейропептиды, его сегмент может стать и «шапероном», гарантирующим, что белки правильно сворачиваются, образуя критически важный митохондриальный комплекс оборудования для сбора энергии.
Во время эволюции этих предшественников естественный отбор их «совместительских» функций, возможно, был более важным фактором, чем любая потребность в межклеточной передаче сигналов. В настоящее время Яньес-Гуерра и Буркхардт совместно исследуют мутантный хоанофлагеллят, в котором отсутствует предшественник фениксина, надеясь лучше понять его функцию. Кроме того, они ищут в хоанофлагеллятах рецепторные молекулы, способные рецептировать эти нейропептиды.
К сожалению, тот факт, что два указанных предшественника нейропептидов являются общими для всех животных, вряд ли упрощает создание научной картины начала эволюции нервной системы. В декабре прошлого года Мария Сачкова (Mariia Sachkova) и её коллеги из Сарсовского центра, работающие с Буркхардтом, сообщили, что с помощью инструмента машинного обучения они идентифицировали множество специфических нейропептидов, закодированных в геномах гребневиков, многие из которых не похожи ни на какие другие, существующие в животном мире.
Нейропептиды — не единственное, что уникально в нервной системе гребневиков: чрезвычайная необычность структур их нейронных сетей заставляет предполагать, что они эволюционировали независимо от наблюдаемых у других животных и людей. Откуда взялась специфика жизнедеятельности гребневиков, остаётся загадкой, но ясно, что на ранних этапах своей эволюции нервные системы прошли через период грандиозных экспериментов и инноваций — и что, по крайней мере, некоторые из этих экспериментов начались ещё до того, как появились животные.
Автор: Вивьен Калье (Viviane Callier), Перевод: Александр Горлов