Ембріональний розвиток брахіопод проливає світло на природу первинно- і вторинноротості

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 67

Ріс. 1. Два досліджених види брахіопод (Brachiopoda) і їх розвиток. Вгорі — Novocrania anomala, представник беззамкових брахіопод (беззамкові включають два класи, Craniata і Lingulida), для якого характерна вторинноротость. На карті показана точка, звідки відбуваються вивчені екземпляри. На фотографіях представлені три стадії розвитку: гаструла, стадія подовження вздовж передньо-задньої осі, рання личинка. У кожній парі фотографій ліворуч наведено вигляд збоку (анімальний полюс зародка, що відповідає передньому кінця личинки, відзначений зірочкою); праворуч — вид з вегетативного полюса (для гаструли) або з вентральної (черевної) сторони (для пізніших стадій). bp — бластопор, mo — рот. Під фотографіями наведено схеми будови зародку в поздовжньому перерізі. Синім кольором позначений бластопор, червоною стрілкою — місце, де після метаморфозу проривається анус. Внизу — Terebratalia transversa, представник замкових брахіопод (клас Rhynchonelliformea), для якого характерна первинноротость. Позначення ті самі. Зображення з обговорюваної статті в Nature Ecology & Evolution і додаткових матеріалів до неї

Двосторонньо-симетричні тварини (білатерії) незабаром після своєї появи розділилися на два еволюційні стволи — Protostomia (первиннороті) і Deuterostomia (вториннороті). Їх основною відмінною ознакою вважається спосіб формування рота: у первинноротих рот розвивається з бластопора (ембріонального рота — отвору первинної кишки на стадії гаструли), а у вторинноротих рот не пов’язаний з бластопором. Справа ускладнюється тим, що насправді вторинноротость характерна не тільки для Deuterostomia, але і для ряду представників Protostomia. Вивчення ембріонального розвитку двох видів брахіопод з різними способами закладки рота дозволило норвезьким і американським зоологам частково розшифрувати молекулярно-генетичні основи первинно- і вторинноротості. Виявилося, що доля бластопора пов’язана з роботою еволюційно консервативних генів — регуляторів розвитку, що беруть участь у розмітці ембріональних тканин уздовж передньо-задньої осі. Автори припускають, що зв’язок рота з бластопором або її відсутність — лише побічний ефект малюнка експресії генів — регуляторів розвитку. Переходи від одного способу розвитку рота до іншого могли відбуватися багаторазово, і в цілому ця ознака не так вже й багато говорить про еволюційну історію досліджуваних організмів.

Співвідношення між бластопором і ротом дорослого організму традиційно служить найважливішим критерієм у класифікації білатерій, а питання про те, який із способів закладки рота є еволюційно первинним, завжди вважалося вкрай важливим для розуміння походження і ранньої еволюції білатерій. Питання це виявилося надзвичайно складним, і на сьогоднішній день воно продовжує залишатися заплутаним до крайності. На щастя, у читачів «Елементів» є можливість детально розібратися в проблемі завдяки двом докладним статтям Сергія Ястребова (Вторинноротость може виявитися первинною для двосторонньо-симетричних тварин, 06.09.2015; Висловлена гіпотеза про походження вторинноротих від первинноротих, 08.12.2015).

Характерно, що в цих статтях говориться про дві протилежні ідеї. Згідно з першою з них, вихідно для білатерій була характерна первинноротость, а вторинноротость — похідний стан, який виник незалежно у Deuterostomia і в декількох гілках Protostomia. Один з аргументів на користь цієї версії полягає в тому, що при вторинноротості ембріональний розвиток в цілому виглядає простіше і логічніше, оскільки і рот, і анус відразу закладаються там, де треба. Тому первинноротость, пов’язану з химерними трансформаціями і переміщеннями бластопора, легше трактувати як «важку еволюційну спадщину», а перехід до вторинноротості — як позбавлення від непотрібних складнощів і прояв загальної тенденції до раціоналізації розвитку (детальніше див. у новині Висловлена гіпотеза про походження вторинноротих від первинноротих, «Елементи», 08.12.2015). На рис. 2 показано два можливих сценарії, які розглядаються в рамках ідеї про вихідну первинноротость білатерій.

Ріс. 2. Два можливих сценарії походження білатерій (а також первинно- і вторинноротості) в рамках загальної ідеї про те, що первинноротость є вихідним, а вторинноротость — похідним станом. «Сценарій амфістомії» (зліва) передбачає, що у предка білатерій був лужевидний бластопор, який замикався посередині, залишаючи два отвори на кінцях. Передній отвір ставав ротом, а заднє анусом. Такий спосіб розвитку називають амфістомією. Необхідно пояснити, що, хоча на цьому малюнку амфістомія (Amphistomy) ніби протиставляється первинноротості (Protostomy), насправді амфістомію зазвичай розглядають як один з варіантів первинноротості: адже при амфістомії рот розвивається з бластопора. Амфістомія зустрічається у деяких Protostomia, але не характерна для Deuterostomia. «Планулоїдно-ацелоїдний сценарій» (праворуч) передбачає, що у перших білатерій ануса не було (як у сучасних плоских хробаків і ксенацеломорф, див.: Ксенотурбелліди виявилися близькими до предків двосторонньо-симетричних тварин, «Елементи», 15.02.2016), а рот, що за сумісництвом служив також і анусом, формувався з бластопора. Коли кишківник став наскрізним, анус став формуватися незалежно від бластопора, а бластопор повинен був зміщуватися далеко вперед, щоб рот, що утворюється з нього, опинявся на передньому кінці тіла. Перехід до вторинноротості в цьому сценарії міг бути наслідком спрощення (раціоналізації) онтогенезу, що сприяло більш ранньому формуванню рота (Mouth ces precociously), оскільки при вторинноротості не потрібно нікуди переміщати бластопор, а рот і анус відразу формуються там, де треба. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Ecology & Evolution

Альтернативну ідею про первинність вторинноротості в останні роки активно розвивали норвезькі зоологи Хосе-Марія Мартін-Дюран (Jose Maria Martán-Durán) і Андреас Хейноль (Andreas Hejnol). Вони, зокрема, детально вивчили розвиток приапулід (представників Protostomia, для яких характерна яскраво виражена вторинноротость) і показали глибоку схожість розвитку приапулід і Deuterostomia (детальніше див. у новині Вторинноротость може виявитися первинною для двосторонньо-симетричних тварин, «Елементи», 06.09.2015).

Важливим аргументом на користь ідеї про первинність вторинноротості є розподіл двох способів закладки рота на еволюційному дереві білатерій (рис. 3). Втім, цей розподіл в будь-якому випадку передбачає кілька незалежних переходів від вторинно- до первинноротості або навпаки.

Ріс. 3. Розподіл первинноротості (помаранчеві лінії) і вторинноротості (сині лінії) на еволюційному дереві білатерій можна розглядати як аргумент на користь того, що первинним станом для білатерій була вторинноротость. Дійсно, вторинноротость характерна для всіх Deuterostomia, а також для деяких відносно примітивних (базальних) груп Protostomia, таких як щетинкочелюстні (Chaetognatha) і приапуліди. Крім того, вторинноротость зустрічається у деяких членистоногих (Arthropoda), брахіопод (Brachiopoda) і кільчастих хробаків (Annelida). Малюнок з обговорюваної статті в Nature Ecology & Evolution

У новій статті, написаній Мартіном-Дюраном і Хейнолем у співавторстві з американськими колегами, аналізується розвиток двох видів брахіопод (див. Brachiopod). Треба сказати, що вибрані види чудово підходять для вивчення природи первинно- і вторинноротості. Брахіоподи — представники Protostomia, проте серед них є види з обома способами закладки рота. Хоча два вивчені види належать до різних класів брахіопод, які розділилися понад 500 млн років тому, вони дуже схожі один на одного і на початку свого ембріонального розвитку (на стадіях яйця, бластули і ранньої гаструли), і в кінці (на стадії личинки). Відмінності зачіпають проміжні стадії. Радикально розрізняється спосіб, за допомогою якого з однакового початку (яйця, бластули, гаструли) онтогенез приходить до однакового завершення (личинки).

Для першого виду, Novocrania anomala, характерна вторинноротость (рис. 1, вгорі). У N. anomala, як у всіх білатерій, бластопор формується на вегетативному полюсі (див. Polarity in embryogenesis) бластули, який відповідає задньому кінцю личинки. Надалі бластопор лише трохи зміщується із заднього кінця на вентральну (черевну) сторону, після чого він закривається, а рот проривається незалежно від бластопора в передній частині тіла. Потім біля заднього кінця тіла (але все ж не точно там, де був бластопор) проривається анус. Простеживши за долею клітин, прилеглих до бластопора, автори переконалися, що ці клітини не беруть участі у формуванні рота чи інших структур передньої частини тіла личинки.

Для другого виду, Terebratalia transversa, характерна первинноротость (рис. 1, внизу). Ранні стадії розвитку мало відрізняються від першого виду — аж до того моменту, коли бластопор трохи зміщується на черевний бік. З цього моменту розвиток йде по-різному. На відміну від N. anomala, у T. transversa рух бластопора на цьому не закінчується: бластопор продовжує зміщуватися вперед, сильно витягуючись в передньо-задньому напрямку і набуваючи лужевидної форми. Автори виявили, що клітини переднього краю рухомого бластопора активно діляться і швидко занурюються всередину, що, мабуть, робить внесок у процес зміщення бластопора. Зрештою передня частина щелевидного бластопора наближається до переднього кінця зародка і стає ротом, а задня частина щілини закривається. Анус у T. transversa відсутній, як і у інших замкових брахіопод.

У ембріонів обох видів автори вивчили характер експресії кількох еволюційно консервативних генів — регуляторів розвитку, включення яких відповідає вибору клітинами своєї подальшої «долі»: які з них дадуть початок переднім, які — заднім ектодермальним структурам, а які стануть енто- і мезодермою. Результати у спрощеному вигляді показано на рис. 4.

Ріс. 4. Області експресії генів — регуляторів розвитку у вторинноротою брахіоподи N. anomala (ліворуч) і первинною ротою T. transversa. Синім кольором показані гени, які маркують передні ектодермальні структури (six3/6, NK2.1, gsc, otx), зеленим — «задні» гени (evx, cdx), жовтим — ентодермальні (foxA), червоним — мезодермальні (twi, foxC, foxF). Вигляд скрізь з вегетативного/вентрального боку. gp — гастральна платівка (ділянка зародку на стадії бластули, яка в ході гаструляції буде занурюватися всередину і дасть початок ентодермі), bp — бластопор, mo — рот. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Ecology & Evolution

Виявилося, що малюнок експресії «передніх» і «задніх» генів сильно розрізняється у двох видів брахіопод, причому відмінності з’являються на стадії гаструляції. У обох видів вже на стадії бластули на вегетативному полюсі, на місці майбутнього бластопора, формується гастральна платівка — ділянка, в якій починають працювати ентодермальні гени (показані жовтим кольором на рис. 4). Це означає, що клітини гастральної платівки вже вибрали свою долю: вони будуть впячуватися всередину і стануть ентодермою. Навколо гастральної платівки експресуються «задні» гени (показані зеленим кольором). Це справедливо для обох видів на стадії бластули. Розбіжності починаються на наступному етапі — під час гаструляції.

У вторинноротою N. anomala область експресії задніх генів оточує бластопор з усіх боків на всіх стадіях, аж до закриття бластопора. Відповідно до цього клітини краю бластопора не беруть участі у формуванні передніх структур, у тому числі рота. У первинноротою T. transversa вже на стадії гаструли область експресії задніх генів стикається з бластопором тільки з одного боку — того, який стане потім заднім. У клітинах протилежного (майбутнього переднього) краю бластопора експресуються передні гени (показані синім на рис. 4). У цьому полягає ключова відмінність між видами: у первинноротого виду область експресії передніх генів «дотягується» до переднього краю бластопора, а у вторинноротого бластопор до кінця залишається з усіх боків оточеним областю експресії задніх генів. Це відмінно узгоджується з тим, що у первинноротого виду клітини переднього краю бластопора беруть участь у формуванні рота (оскільки рот відноситься до «передніх» структур, він повинен утворюватися клітинами, в яких в ході розвитку включаються «передні» гени).

Відмінності виявилися також у закладці мезодерми (показана червоним кольором на рис. 4). У вторинноротого виду мезодерма починає диференціюватися тільки на стадії гаструли і розростається в основному в передньому напрямку (вперед від бластопора). У первинноротого виду мезодермальні клітини вибирають свою долю ще на стадії бластули, і мезодерма росте здебільшого назад від бластопора.

Додаткові експерименти показали, що відмінності в експресії передніх і задніх генів у двох видів брахіопод частково пов’язані з активністю сигнального каскаду Wnt/в-catenin (див. сигнальний шлях Wnt), який відіграє у тварин ключову роль у формуванні передньо-задньої осі тіла (див.: Виявлено фундаментальну схожість між розвитком актинії і розвитком хребетних, «Елементи», 02.06.2016). Штучна гіперактивація сигнального шляху Wnt за допомогою речовини AZK (1-Azakenpaullone) веде до придушення активності передніх генів і розширення області експресії задніх. Це призводить до того, що малюнок експресії цих генів у первинного виду T. transversa стає більш схожим на те, що спостерігається у вторинноротою N. anomala. Втім, повної схожості не виходить: один з передніх генів (otx) все одно продовжує експресуватися на передньому краю бластопора, а задні гени evx і cdx — тільки на задньому. Чи можна перетворити первинноротость на вторинноротость, посилюючи активність сигнального шляху Wnt, незрозуміло, тому що застосування AZK веде до грубих порушень подальшого розвитку: залежно від стадії, на якій застосовується ця речовина, або блокується гаструляція, або у личинки не розвиваються передні частини тіла.

Припущення про те, що в регуляції експресії передніх і задніх генів на вентральній стороні зародку якось задіяний сигнальний шлях BMP, який у багатьох тварин відіграє ключову роль у формуванні дорзо-вентральної (спинно-черевної) полярності, було перевірено і не підтвердилося.

Автори зупинилися на припущенні, що існують ще якісь ранні сигнали, які поки не вдалося ідентифікувати. Ці сигнали або модулюють роботу Wnt, або діють незалежно. У первинноротого виду ці сигнали перешкоджають тому, щоб межі областей експресії передніх і задніх генів під дією сигнального шляху Wnt занадто сильно зміщувалися вперед на вентральній стороні.

Щоб отримати уявлення про те, наскільки загальний характер можуть мати виявлені у брахіопод закономірності, автори вивчили розвиток кольчастого хробака Owenia fusiformis, для якого характерна первинноротость. Виявилося, що у цього черв’яка, як і у первинної роти брахіоподи T. transversa, передні гени six3/6, NK2.1, gsc, otx експресуються на передньому краю бластопора, а задні (evx, cdx) — тільки на задньому. Для близького виду Owenia collaris, за літературними даними, характерна вторинноротость, але автори не перевивчили його розвиток: напевно, зроблять це наступного разу.

На цьому встановлені факти закінчуються і починаються інтерпретації та домисли, які в даному випадку не можуть не бути спірними.

На думку авторів, отримані результати не дуже добре узгоджуються з двома сценаріями, показаними на рис. 2. «Сценарій амфістомії» передбачає якусь симетричність у процесі замикання бластопора: у разі первинної ротості він повинен бути клацатися і замикатися в своїй задній частині (і це дійсно спостерігається у первинноротою брахіоподи Terebratalia transversa), а в разі вторинноротості він теж повинен бути клацатися і замикатися в своїй передній частині, але цього немає у вторинноротою брахіоподи Novocrania anomala: її бластопор залишається круглим і замикається не шляхом сходження бічних країв, а просто заростає. «Планулоїдно-ацелоїдний сценарій» передбачає дуже раніше формування дефінітивного (дорослого) рота при вторинноротості, чого теж не спостерігається.

Здавалося б, якщо автори відкинули ці два сценарії, то останній варіант — це їхня улюблена ідея про первинність вторинноротості (тобто про те, що останній загальний предок білатерій був вторинноротим, а первинноротость — похідний стан, який виникав кілька разів незалежно). Як не дивно, автори цього разу не роблять акценту на цій ідеї. Замість цього вони натякають, що зоологи, можливо, досі надавали невиправдано великого значення способу закладки рота, який насправді не є такою вже важливою ознакою, на якій потрібно засновувати уявлення про походження білатерій і про анатомію їх загального предка. Первинно- або вторинноротость, можливо, є лише побічним наслідком більш фундаментальної ознаки, а саме патерну експресії генів — регуляторів розвитку, в першу чергу передніх і задніх екто- і мезодермальних маркерів. Рот у будь-якому випадку розвивається там, де експресуються передні гени. Якщо бластопор — ембріональний рот — виявляється в потрібний час у потрібному місці, його можна «кооптувати», тобто використовувати для побудови справжнього (дефінітивного) рота. Це буде первинноротость. А якщо бластопора під рукою немає, то рот все одно сформується, де належить, але вже без участі бластопора. Це буде вторинноротость. Така «коопція», як і відмова від неї, могли відбуватися багаторазово. Чи потрапить бластопор в ту частину ембріона, де повинен сформуватися рот, залежить від того, де проходять межі областей експресії передніх і задніх генів на вентральній стороні ембріона. Якщо вони зрушені до заднього кінця тіла, бластопор виявляється між ними (первинноротость), якщо ж вони проходять ближче до переднього кінця, то бластопор буде з усіх боків оточений областю експресії задніх генів (вторинноротість).

Автори порівнюють первинно- і вторинноротость зі знаменитими spandrels (вітрилами) — архітектурними елементами, які з легкої руки Стівена Гулда і Річарда Левонтіна стали в біології загальноприйнятою метафорою для ознак, що не мають власного адаптивного значення і є побічним результатом якихось інших, дійсно важливих ознак (SWJ. Gould, R. The Spandrels of San Marco and the Panglossian Paradigm: A Critique of the Adaptationist Programme).

Втім, ніщо не забороняє «вітрилам» бути хорошими таксономічними ознаками, володіти еволюційною консервативністю і нести цінну інформацію про походження тієї чи іншої групи організмів. Крім того, адаптивна цінність згаданих відмінностей у патернах експресії передніх і задніх генів теж не надто очевидна.

Чому Мартін-Дюран і Хейноль у своїй новій статті обходять стороною ідею про первинність вторинноротості, яку вони відстоювали в колишніх роботах? Може бути, тому, що отримані ними результати надають додаткову вагу аргументу О. М. Іванової-Казас, на підставі якого вона відкидала гіпотезу про первинність вторинноротості. Сергій Ястребов переказав цей аргумент у новині Вторинноротость може виявитися первинною для двосторонньо-симетричних тварин («Елементи», 06.09.2015):

На думку Іванової-Казас, спосіб розвитку, досягнутий вторинноротими і приапулідами, — суто технологічно найбільш раціональний, що передбачає мінімум зміщень і трансформацій. Як вже сказано, при цьому способі рот і анус відразу закладаються «де треба». Перехід від такого стану до «первинноротості» здається невиправданим ускладненням, так що важко уявити тиск природного відбору, під яким він міг би статися. А ось зворотний перехід, що позбавляє зародок від необхідності переміщати або витягати бластопор, виглядає якраз вигідним, і не виключено, що він стався неодноразово.

Нові дані з розвитку двох видів брахіопод ясно показують, що первинноротость порівняно з вторинноротостю, принаймні в даному конкретному випадку, — це просто більш складний і муторний спосіб дістатися від однієї і тієї ж вихідної точки А (бластули) до точки Б (личинки; згадаймо, що план будови ранніх личинок двох видів брахіопод практично однаковий). Нові дані показали, що складність і муторність поширюються не тільки на спостережувані морфогенетичні процеси (відчайдушне витягування і далеке переповзання бластопора), але і на їх молекулярно-генетичний базис. Для первинноротості потрібні якісь додаткові регулятори, що працюють на вентральній стороні ембріона і перешкоджають зрушенню областей експресії передніх і задніх генів вперед під дією сигнального шляху Wnt.

У світлі цих даних еволюційний перехід від первинноротості до вторинноротості дійсно виглядає більш простим і ймовірним (раціоналізація розвитку, пов’язана з втратою якихось елементів регуляції, а не з придбанням нових), тоді як перехід у зворотному напрямку (від вторинно- до первинноротості) представляється малоймовірним і, мабуть, не потрібним ускладненням. У такому випадку логічно припустити, що вихідним для білатерій способом розвитку була все-таки первинноротость, яка потім неодноразово заміщалася вторинноротостю в різних еволюційних лініях, у тому числі в останнього загального предка Deuterostomia.

Джерело: José M. Martín-Durán, Yale J. Passamaneck, Mark Q. Martindale and Andreas Hejnol. The developmental basis for the recurrent evolution of deuterostomy and protostomy // Nature Ecologe and Evolution. 2016. V. 1. № 0005. Doi:10.1038/s41559-016-0005.

Див. також:

1) Вторинноротость може виявитися первинною для двосторонньо-симетричних тварин, «Елементи», 06.09.2015.

2) Висловлена гіпотеза про походження вторинноротих від первинноротих, «Елементи», 08.12.2015.

Олександр Марков