Нервная система позволяет животным воспринимать внешние и внутренние стимулы и быстро на них реагировать, тем самым улучшая адаптационные механизмы и повышая шансы на выживание.
Поведение разной степени сложности — от мышечных сокращений до абстрактного целеполагания — продукты нервной системы. Однако вопросы о том, как такая система формировалась в процессе эволюции и как ей удалось достичь такой сложной организации, которую мы можем наблюдать у многих ныне живущих видов животных, остаются спорными. В обзорной статье, вышедшей в Developmental Biology в 2021 году, авторы объясняют, почему ранее предложенные теории развития нервной системы оказались неудачными, и рассматривают современные подходы к изучению этого сложного вопроса. В нашем материале на основе этой статьи мы постараемся кратко рассказать об основных минусах ранних теорий и обсудим, какие методы исследования необходимы для разработки достоверных теорий происхождения и развития нервной системы животных.
Традиционные теории эволюции нервной системы. В чем проблема?
Эволюция нервных систем у животных всегда интересовала биологов, и поэтому неоднократно предлагались разные эволюционные сценарии для объяснения формирования нейронов и сложных нервных центров. Этому способствовало накопление данных в таких областях, как нейробиология, физиология, клеточная биология и биология развития. Однако ученые столкнулись с рядом проблем, препятствующих построению единой теории эволюции нервной системы.
Первая проблема (и, возможно, самая главная) заключалась в том, что филогенез животных был предметом дискуссий, в особенности самые глубокие узлы эволюционного дерева. Ранние теории пытались объяснить происхождение и разнообразие нервных систем животных через их морфологию, и в то же время морфология служила основой для помещения той или иной группы животных в узлы филогенетического дерева. Такой замкнутый круг неизбежно приводил к дебатам в научном сообществе. Кроме того в основном сравнивались между собой взрослые животные, в то время как процессы, происходящие на ранних стадиях онтогенеза, отодвигались на второй план.
Следующая проблема состояла в том, что работы в области эволюционного развития нервной системы в основном проводились на наиболее удобных для изучения линиях животных, и это приводило к последующим неверным обобщениям.
Далее мы рассмотрим, в чем заключались основные ранние теории, предлагающие альтернативные эволюционные схемы того, как формируются конденсированные нервные тяжи из диффузной эктодермальной нервной сети у билатеральных животных. А также выясним, почему ни одна из из них не может считаться достоверной.
Теория «ортогона» Райзингера
Ортогональная организация нервной системы представляет собой вытянутые в ростро-каудальном направлении (то есть спереди назад) тяжи, состоящие из нервных клеток, которые соединены поперечными комиссурами. Отсюда и название такой организации: тяжи и комиссуры располагаются ортогонально (перпендикулярно) по отношению к друг другу.
Райзингер предполагал, что ортогональная организация нервной системы Плоских червей, которые предположительно считались первыми представителями Билатерий (двусторонне симметричных животных), образовалась в результате конденсации, организованной в виде сети нервной системы Книдарий. Формирование нервных систем Первичноротых он объяснял последующей утратой дорсального нервного тяжа, а Хордовых — вентрального (см. рис.1А).
Однако современные молекулярные филогенетические исследования показали, что Плоские черви относятся к Спиральным, основной кладе Билатерий, которая включает в себя группы животных с разнообразной нейроанатомией, и среди них похожую на ортогональную организацию нервной системы имеют лишь некоторые Кольчатые черви и Моллюски (Рис. 2). Кроме того, у Ксенацеломорфов, которые также относятся к Билатериям, строение нервной системы скорее диффузное. Таким образом, наличие ортогонального расположения нейронных скоплений у последнего общего предка Билатерий не подтверждается, и теорию Райзингера нельзя считать достоверной.
Теория «окологлоточного нервного кольца» Седжвика и Бальфура
Бальфур и Седжвик выдвинули гипотезу о том, что окологлоточное нервное кольцо Стрекающих, например, Морских анемонов, соответствует продольным нервным тяжам Билатерий. Так, у Онихофоров (относятся к Билатериям) вентральные продольные тяжи развиваются в процессе эмбрионального развития из рото-анусной бороздки, которую ученые назвали бластопорой. Они полагали, что бластопора представляет собой эквивалент рта Коралловых полипов (относятся к Стрекающим), который также окружен нервным кольцом. Формирование вентральных парных продольных тяжей, характерных для многих Первичноротых, в том числе для Онихофоров, ученые объясняли удлинением и слиянием в середине окологлоточного нервного кольца Стрекающих (рис. 1В).
Однако недавние исследования показали, что формирование бластопоры в эмбриональном периоде – отличительная черта Онихофоров. Кроме того, организацию нервной системы в виде дорсальных тяжей нельзя объяснить через модификацию окологлоточного нервного кольца. С филогенетической точки зрения диффузная нервная сеть — это наиболее вероятный нейроанатомический признак последнего общего предка Стрекающих и Билатерий. Это означает, что наличие окологлоточного нервного кольца у Стрекающих скорее можно рассматривать как последующую специализацию, не связанную с формированием продольных нервных тяжей у Билатерий.
Теория «немертин» Хубрехта и «аннелид» Дорна
Теория «немертин» Хубрехта была основана на предположении о том, что в процессе эволюции перемещение продольных латеральных тяжей у немертино-подобного предка на брюшную сторону привело к формированию вентральной организации нервной системы у Первичноротых, а на спинную — к дорсальной организации нервной системы у Хордовых (рис. 1С). Подобным образом Дорн предполагал, что перемещение вентральных нервных тяжей у аннелидо-подобных предков на дорсальную сторону привело к формированию нервной системы Хордовых (рис. 1D).
Однако последний общий предок клады не обязательно должен быть похож на виды на вершинах. Ныне живущие Немертины и Аннелиды вместе с Моллюсками, Плеченогими и Мшанками входят в кладу Trochozoa и относятся к Спиральным (рис. 2). Разнообразие нейронных архитектур Trochozoa и Спиральных в целом позволяет предположить, что относительно простая нервная система с вентральными парными нервными тяжами, вероятно, может считаться предковой для этой группы, что делает маловероятными эволюционные сценарии, предложенные Хубрехтом и Дорном, которые предполагают более развитые нервные системы немертин и аннелид в качестве предковых.
Нервная система в филогенезе животных
Ранние теории основывались на данных о родстве организмов. За последние годы благодаря развитию молекулярной филогенетики эволюционное дерево очень изменилось (рис. 2). Однако и сейчас ученые не могут прийти к единой теории происхождения нервных систем (рис. 3).
Существует несколько возможных сценариев развития нервной системы у многоклеточных животных с учетом текущего положения Гребневиков в филогенетическом дереве (схема нейронной организации и филогенетическое дерево — рис. 2, схематичное изображение гипотез — рис. 3). Гипотеза единого происхождения: если принять, что нервные системы у Гребневиков, Стрекающих и Билатерий гомологичны, то нейроны исчезли независимо у Губок и Пластинчатых (рис. 3А).
Гипотеза множественного происхождения: нервные системы Гребневиков и Стрекающих + Билатерий развивались конвергентно (рис. 3А). Однако на данный момент проведено недостаточно исследований, чтобы можно было однозначно принять или опровергнуть одну из этих гипотез.
Эмбриональное развитие нервных систем у Билатерий
Современные исследования эволюции нервной системы направлены не только на установление родства между таксонами на основе морфологических и генетических признаков, но и на сравнительное изучение ранних стадий онтогенеза. На ранних стадиях эмбрионального развития можно определить клетки и даже целые области формирующегося зародыша, представляющие собой зачатки нервной системы. Сопоставление результатов онтогенетических и молекулярно-генетических исследований позволяет делать более достоверные выводы, необходимые для понимания общих принципов развития нервной системы у животных.
На сегодняшний день данные онтологических исследований ограничены несколькими линиями животных (рис. 4). Но уже сейчас можно увидеть, насколько разнообразны пути формирования нервной системы у эмбрионов разных клад.
Так у Гребневиков нейроны имеют эктодермальное происхождение, однако дальнейшая их специализация происходит на поздних стадиях эмбрионального периода. У Стрекающих нервная сеть развивается на более ранних стадиях развития (до начала гаструляции) как из эктодермы, так и из энтодермы. Диффузная нервная сеть Ксенацеломорфов имеет эктодермальное происхождение, а сенсорный статоцист развивается из эндомезодермы.
Практически у всех Билатерий нервная система имеет эктодермальное происхождение за исключением Нематод (мезодермальное происхождение) и Иглокожих (энтодермальное происхождение). Почему развитие нервной системы у Билатерий ограничилось эктодермой, пока не ясно. Отсутствие данных для многих таксонов Билатерий затрудняет реконструкцию гомологичных процессов развития для основных билатеральных кладов.
Несмотря на это имеющиеся наше нынешнее понимание нейрогенеза у Стрекающих и Билатерий позволило опровергнуть большинство традиционных теорий эволюции нервной системы и заложило основу для более точной интерпретации растущего количества молекулярных данных у все большего числа таксонов Билатерий.
Сравнение паттернов экспрессии генов в нервной системе у Билатерий
Разница в эмбриональном развитии и в морфологии взрослых особей имеет под собой генетические и эпигенетические основания. Поэтому современные исследования направлены также на сравнение экспрессии генов в различных компартментах нервной системы у различных видов Билатерий. Полученные данные позволяют более достоверно установить родство различных линий животных и, соответственно, выдвигать более основательные гипотезы об эволюции нервной системы.
Исследования генной экспрессии можно условно разделить на два направления (рис 5, 6)
Сравнительный анализ экспрессии генов в компартментах, лежащих вдоль антерио-постериальной (передне-задней) оси
Нервная система у большинства Билатерий имеет выраженную компартментализацию вдоль антерио-постериальной оси как на морфологическом, так и на функциональном уровне. В основе этого лежат различия в экспрессии целого набора генов. Большое количество транскрипционных факторов (например, six3/6, foxQ2, otx, otp, fezf, pax6, pax2/5/8, en, гены irx, гены Hox) и сигнальных путей (например, путь Wnt/β-катенин, путь Hedgehog, путь FGF, путь EGFR) дифференциально экспрессируются вдоль передне-задней оси развивающейся нервной системы (рис. 5).
Позвоночные животные (Vertebrata) имеют сложное строение нервной системы. На ранних стадиях эмбриогенеза из нервной пластинки образуются три мозговых пузыря (передний мозг, средний мозг, ромбовидный мозг) и спинной мозг. Затем выделяются вторичные образования: ZLI (zona limitans intrathalamica) и IsO (isthmic organizer). Гены, экспрессируемые в этих зонах, являются консервативными для всех позвоночных, что говорит о гомологии их нервных систем.
У Бесчерепных (Cephalochordata) нервная пластинка топологически напоминает пластинку Позвоночных, однако, ZLI и IsO у них отсутствуют. Появление ZLI и IsO у Позвоночных вероятно способствовало формированию у них более развитой нервной системы.
Интересно, что у Полухордовых (Hemichordata) имеется как компартментализация нервной пластинки, так и последующее развитие вторичных образований. Анализ генной экспрессии показал, что нервная система Полухордовых, видимо, предшествовала появлению сложно организованной нейроанатомии Позвоночных.
У Брахиопод по сравнению с вторичноротыми, которых мы рассмотрели выше, в головном конце нервная система развита слабо. Однако у них экспрессируются гены, ассоциированные с ZLI и IsO, а также Hox гены, но их активность обусловлена скорее эктодермальными доменами, чем наличием компартментов нервной системы, подобных вторичноротым. Экспрессия транскрипционных факторов six3/6, foxQ2, otx и gsc была обнаружена у других Билатерий и у Гребневиков. Но также, как и у Брахиопод, эти гены скорее ассоциированы с эктодермальными компартментами.
В целом, полученные данные говорят о конвергентной эволюции сложных нейроархитектур у Билатерий, а не о том, что сложное строение нервной системы является их общей предковой чертой.
Сравнительный анализ экспрессии генов в компартментах дорсо-вентральных нервных пучков у Билатерий
У Хордовых и Членистоногих имеется непарный нервный тяж, у первых на дорсальной стороне, а у вторых — на вентральной. Это наблюдение позволило еще в середине XIX века предположить, что между дорсальной стороной Хордовых и вентральной стороной Членистоногих должно быть сходство. Современные генетические исследования подтвердили это предположение. Так были обнаружены сходные паттерны экспрессии ортологичных генов семейств NK2.1, NK2.2, NK6, pax6, pax3/7, и msx у Хордовых, Членистоногих и Кольчатых червей (Аннелиды также имеют непарный нервный тяж) (рис. 6). Экспрессия этих генов необходима для формирования компартментов нервного тяжа.
У Полухордовых и Нематод нейроанатомия отличается от таковой у Хордовых, Членистоногих и Кольчатых червей. Полухордовые имеют диффузную нервную систему с двумя тяжами — вентральным и дорсальным. У Нематод помимо брюшного и спинного тяжей имеется также несколько латеральных нервных пучков. Такие отличия, как было показано, обуславливаются иным паттерном экспрессии генов. Интересно, что экспрессия большинства из них не связана с нервной системой (отмечены красными кружками на рис. 6).
Данные, полученные на Ксенацеломорфах и Спиральных, говорят о том, что диффузная нервная система является характерной предковой нейроанатомией для первых, а наличие пары вентральных нервных тяжей — для вторых. У разных линий Хордовых паттерны генной экспрессии также сильно отличаются, хотя для всех из них характерно наличие нервной пластинки на ранних стадиях эмбриогенеза.
Отсюда следует, что паттерны экспрессии генов, отвечающих за нейроанатомию, и сама нейроанатомия развивались независимо у нескольких линий животных, и что различия в экспрессии генов у Билатерий являются скорее нормой, чем исключением. Таким образом, схожесть паттернов экспрессии у Членистоногих и некоторых Кольчатых червей объясняется их конвергенцией. Однако необходимы дальнейшие исследования для установления функций транскрипционных факторов и их роли в развитии нервной системы у как можно большего количества линий животных.
Заключение
В рассмотренной нами статье авторы прежде всего хотели подчеркнуть важность комплексного анализа при проведении филогенетических исследований развития нервной системы. Современные подходы, включающие в себя сравнительные исследования нейроанатомии взрослых особей, изучение процессов, происходящих на ранних стадиях онтогенеза в разных линиях, генетические исследования, позволили опровергнуть старые теории и выдвинуть новые гипотезы.
Оказалось, что история развития нервной системы более запутанная, чем считалось ранее, поскольку схожесть нейроанатомии у некоторых линий животных по видимому представляет собой продукт конвергентной эволюции.
Однако ученым еще предстоит найти ответы на многие вопросы. Например, насколько нейроны Гребневиков сходны с нейронами Стрекающих и Билатерий? Почему у Билатерий нейрогенез в основном ограничивается эктодермой? Связано ли это с какими-то особенностями регуляторных механизмов у предков Билатерий? Как консервативные молекулярные паттерны порождают дивергентные нейронные архитектуры? Существуют ли сходные принципы развития у линий, в которых нервная система конденсировалась в нервные тяжи? Ответы на эти и многие другие вопросы позволят ученым приблизиться к более глубокому пониманию того, как происходила эволюция нервной системы.
Текст: Евгения Букина