Mitä hiirellä on yhteistä rustokalan kanssa, joka tunnetaan nimellä pieni luistin?
Ensi silmäyksellä saatat ajatella ei paljon. Yksi on pörröinen, isot korvat ja viikset; toinen hengittää kiduksilla ja väreilee tiensä ympäri merta. Yksi on laboratorioeläin tai kotitalouden tuholainen; toinen näkyy todennäköisimmin luonnossa tai matalan uima-altaan pohjassa akvaariossa. Mutta osoittautuu, että näillä kahdella selkärankaisella on jotain yhteistä: kyky kävellä. Ja syy siihen, miksi voimme muuttaa ajattelumme maaeläinten - myös ihmisten - kävelyn kehityksestä.
New Yorkin yliopiston tutkijoiden uusi geenitutkimus paljastaa jotain yllättävää: Kuten hiirillä, myös pienillä luistimilla on geneettinen suunnitelma, joka sallii oikean ja vasemman vuorottelumallin, jota nelijalkaiset maaeläimet käyttävät. Nuo geenit siirrettiin yhteisestä esi-isästä, joka asui 420 miljoonaa vuotta sitten, kauan ennen ensimmäisten selkärankaisten indeksointia merestä rantaan.
Toisin sanoen joillakin eläimillä on ehkä ollut kävelyyn tarvittavia hermoreittejä jo ennen kuin he eläivät maalla.
Tänään Cell- lehdessä julkaistu uusi tutkimus aloitti peruskysymyksellä: miten erilaiset motoriset käyttäytymiset kehittyivät tai muuttuivat eri lajeissa ajan myötä? Kirjailija Jeremy Dasen, NYU: n neurotieteiden instituutin apulaisprofessori, oli aiemmin työskennellyt käärmeiden liikkumisen parissa. Hänet inspiroitiin luistimiin lukemisen jälkeen Neil Shubinin kirjan Sisäinen kala: Matka ihmiskehon 3, 5 miljardin vuoden historiaan, mutta hän ei oikein tiennyt mistä aloittaa.
"Minulla ei ollut aavistustakaan, miltä luistin näytti", Dasen sanoo. “Syöin sen ravintolassa aiemmin. Joten tein mitä kaikki tekevät, menin Googleen etsimään videoita luistimista. ”Yksi ensimmäisistä asioista, jonka hän löysi, oli Youtube-video Clearnose-luistimesta, joka harjoitti kävelykäyttäytymistä. “Olin kuin, vau, se on todella siistiä! Kuinka se tekee sen? ”Hän sanoo.
Dasen ja muut yrittivät selvittää Woods Holessa sijaitsevan meribiologisen laboratorion keräämien luistimien avulla. Ensinnäkin perusasiat: Pikku luistimet ovat ala-asukkaita, jotka asuvat koko itärannikolla Atlantin valtamerellä. Heillä ei oikeastaan ole jaloja, ja heidän kävely ei näytä siltä kuin ihminen kävelisi. He käyttävät lantion eturauhaa, jota kutsutaan ”murskaksi” ja joka sijaitsee paljon isomman timantin muotoisen purjeen kaltaisen evän alla, joka aaltoilee kun he uivat.
Kun he ruokkivat tai heidän täytyy liikkua hitaammin, he sitoutuvat murskaansa vasen-oikea-vuorottelevaan liikkeeseen merenpohjaa pitkin. Pohjalta se näyttää melkein pieniltä jalkoilta, jotka ajavat luistimen eteenpäin.
Mutta Dasen ja hänen tiiminsä eivät olleet kiinnostuneita vain biomekaniikasta; he halusivat tunnistaa geenit, jotka kontrolloivat moottorin hermoreittejä luistin kävelylle.
Kun tarkastellaan selkärankaisten asettelua, geneetikot alkavat usein Hox-geeneistä, joilla on ratkaiseva merkitys organismin kehosuunnitelman määrittämisessä. Jos geenit koputetaan tai väärin, se voi aiheuttaa eläimelle katastrofin (kuten kokeessa, jossa kärpäs kasvatti jalkojaan antennien sijaan pään päällä sen jälkeen, kun tutkijat olivat tahallisesti tyrmättäneet tietyt Hox-geenit).
Dasen ja hänen kollegansa tarkastelivat myös geneettistä transkriptiotekijää, nimeltään Foxp1, joka sijaitsee selkäytimessä tetrapodoissa. Yksinkertaistettu selitys on, että se toimii laukaisemalla liikuntahermoja, jotka sallivat kävelyliikkeen.
"Jos lyöt [Foxp1] malli-organismeihin, kuten hiiriin, ne ovat menettäneet kaiken kykynsä koordinoida raajojen lihaksia", Dasen sanoo. "Heillä on vakava tyyppi moottorin diskoordinaatiota, joka estää heitä kävelemästä normaalisti." Ei ole niin, että ilman Foxp1: tä olevilla hiirillä ei olisi kävelemiseen tarvittavia raajoja tai lihaksia - heillä ei vain ole virtajohtoja oikein kytkettyjä tekemään niin.
Tämä geenien yhdistelmä pienissä luistimissa, jonka avulla he voivat siirtyä tiensä yli merenpohjan etsimään illallista, kulkee aina takaisin yhteiseen esi-isään, joka asui 420 miljoonaa vuotta sitten - yllätys tutkijoille, koska kävelemiskyvyn ajateltiin tulla sen jälkeen, kun siirtyminen mereltä maahan alkoi, ei ennen. Se, että tällaiset geneettiset piirteet pysyivät kiinni niin kauan ja kehittyivät niin ainutlaatuisilla tavoilla eri lajien välillä, vain lisäsi Dasenin jännitystä.
"Raajojen evoluutiosta on paljon kirjallisuutta, mutta se ei oikeastaan ota huomioon asioiden hermostoa, koska sitä on paljon vaikeampaa tutkia", Dasen sanoo. ”Neuronien ja hermojen fossiilitietoja ei ole. Siellä on paljon parempia tapoja tutkia evoluutiota tarkastelemalla luustoja. "
Paljon tutkijoita on etsinyt fossiilitietoja varhaisimmista maan asukkaista. Siellä on Elginerpeton pancheni, varhainen tetrapodi, joka asui valtameren ulkopuolella joskus noin 375 miljoonaa vuotta sitten. Ja sitten siellä on Acanthostega, toinen muinainen selkärankainen, jonka tutkijat äskettäin analysoivat oppiakseen sen raajojen kasvutavoista ja sukupuolikypsyydestä.
Samaan aikaan muut biologit ovat keränneet vihjeitä tarkastelemalla joitain nykyään oudoimpia kaloja, joista monilla on muinaisia perimää. Jotkut ovat tarkastelleet koelakanteja ja sarkopterygeja tai keuhkokalaita (jälkimmäiset käyttävät lantion evät liikkuakseen liikkeessä kuten kävely). Toiset ovat tutkineet bishr-liikettä. Afrikkalainen kalalaji on varustettu keuhkoilla ja verroilla, joten se voi selviytyä vedestä - ja sillä on liikkumisen kaltainen liike, kun hänet pakotetaan asumaan maalla, kuten Ottawan yliopiston biologin Emily Standenin vuonna 2014 tekemässä kokeessa ja toiset.
Standenin mukaan hän ihailee suuresti uutta tutkimusta pienistä luistimista. "Olisin odottanut, että [eri eläinten liikkumisen takana olevissa järjestelmissä] olisi ollut melko vähän samankaltaisuutta, mutta se, että se on niin lähellä kuin se on, oli hieno yllätys", hän sanoo. "Se puhuu siihen, johon uskon varsin vahvasti, että hermosto ja sen kehitys ja toiminta on erittäin joustavaa."
Tämä joustavuus on selvästi ollut avain koko evoluutiohistoriassa. Tuon 420 miljoonan vuoden vanhan esi-isänsä ansiosta meillä on nyt kaikkea kalat, jotka uivat, käärmeet, jotka liukenevat, hiiret, jotka käyvät, luistimet, jotka käyttävät yhdistelmää liikkeitä - Foxp1-geenin kanssa, joka ilmentyy tai tukahdutetaan riippuen eläimen ainutlaatuinen kehosuunnitelma ja liikkuminen.
Ja nyt kun tiedämme hiukan enemmän siitä, mikä hallitsee tätä luistimen liikettä, on mahdollista, että tiedolla voi olla tulevaisuuden käyttö ymmärryksessä ihmisten bipedalismista.
"Perusperiaatteena, jolla motoriset hermosolut kytkeytyvät eri piireihin, ei oikeastaan ole kehitetty [monimutkaisissa organismeissa], joten luistin on tapa katsoa tätä yksinkertaistetummassa järjestelmässä", Dasen sanoo. Mutta hän ei halua mennä liian pitkälle itsestään ennustamalla, mitä se voi tarkoittaa tulevaisuudelle. Dasen toivoo vain, että nähdessään tutkimuksen ihmiset ajattelevat yksinkertaisesti: ”Gee whiz, se on todella siistiä. He voivat kävellä! ”
