tg-cbmass-20121025

Bár biológusként maximálisan a diverzitás hívei vagyunk, most még is ismét egy kacsacsőrű sztorit járnánk körül, leginkább azért mert szorosan kapcsolódik korábbi posztokhoz.

Amint arra a múlt heti, genom szekvenciát körbejáró irományomban is utaltam, a kacsacsőrű emlős egyszerre tárháza az ősi emlős, valamint a specifikus, csak erre a fajra jellemző jegyeknek. Utóbbiak közé sorolható mindenképpen az a, hétköznapinak semmiképpen sem mondható, vonása, hogy nincs gyomra. Pontosabban a nyelőcső végén akad egy kis tágulat, de ez szerkezetében egyáltalán nem emlékezetet arra, amit más emlősökben (ill. gerincesekben általában) gyomornak aposztrofálunk; például teljesen híján van gyomronedveket termelő mirigyeknek.

Ennek a különleges jellegnek az okát csak találgatni tudjuk (pl. a táplálék jelentős részét kitevő rovarlárvák nem igénylik a gondos emésztést?), a következményeit viszont annál könnyebben észlelhetjük. Egyrészt a "gyomor" pH értéke, a savak hiánya miatt igencsak magas, 6 körüli - ellentétben az emlős gyomorban általában dívó 2 körüli értékkel. Másrészt a szerv hiányát tükrözi a gyomorspecifikus enzimeket kódoló gének eltűnése ill. működésképtelensége is.

Aki már követte a fosszilis génekről szóló történetünket, azt aligha lepi meg ez a jelenség. Hiszen a fogaikat elvesztő szilás cetekben is valami nagyon hasonló következett be a fogzománc génjeivel: a soha nem használt gént lassan elöntik a mutációk és hamarosan teljesen működésképtelenné, ill. egyes esetekben felismerhetetlenné teszik. A gyomortalan platypus genomjában hiába keressük a fehérje lebontás első lépéseiért felelős pepszinogén géneket vagy a gyomorsav kiválasztást szabályozó gasztrin hormon génjét. Ezek ugyanis szőrén szálán eltűntek. Hogy mi is történhetett velük, arra csak a más fajokban a gyomor savasságát kialakító proton pumpa egyik egységét kódoló gén (ATP4B), valamint egy cathepsin E nevű enzim története utal. Előbbit néhány pontmutáció változtatta működésképtelenné, míg utóbbi közepébe egy transzpozon "ugrott bele", teljesen összekuszálva a kódoló szekvenciát.

Valahogy így válhattak működésképtelenné az említett, nyomaveszett gének, valamint a gyomor fejlődést szabályozó neurogenin-3 is. A nagy kérdés persze, és erre lehet soha nem tudjuk meg a választ, hogy mi is történt hamarabb: előbb vált néhány gyomor-specifikus gén működésképtelenné és ezt követte a szerv elsatnyulása, vagy az elsatnyult, mirigyeket már létrehozni képtelen gyomor tette fölöslegessé a fehérjéket, ill. az őket kódoló géneket.

(Via The Loom.)

Ha igazán elegáns struktúrát keresünk egy gerinces élőlényben, a retina minden valószínűség szerint dobogós helyezést fog elérni.

A fényérzékeny fotoreceptorokból és "kapcsolt részeikből" kialakuló hálózat egyszerű szövettani metszetén (emlősök esetében) tíz jól elkülönülő réteget fedezhetünk fel, aszerint, hogy adott rétegben az egyes sejtek magjai, vagy pedig nyúlványai helyezkednek el. Jobban megpiszkálva látható az is, hogy a tíz réteg igazából laza definícióban öt sejttípust rejt: a fotoreceptorokat (amelyek persze lehetnek csapok (C) vagy pálcikák(R)), az ingerületet a retinából az agyba szállító ganglionsejteket (G), az előbbi kettőt összekötő ún. bipoláris sejteket (ezeket részletesebb leírásokban két csoportra osztják aszerint, hogy csapokhoz vagy pálcikákhoz kapcsolódnak (CB ill RB)), illetve az említett három sejttípus kapcsolatát moduláló horizontális- (H), valamint amacrin (A) sejteket.

A struktúra szépsége persze nem feledteti a működésében rejlő kontraintuitivitást, hiszen a fotoreceptorok a retina legmélyén fekszenek, így a fotonoknak át kell verekedniük magukat a felettük található további sejttípusokon, na meg a szem belső érhálózatán is (hogy ez miért is alakulhatott így, arról lásd a szemfejlődéses posztot). És mintha ez nem lenne elég, az egyes fotoreceptor" sejtek nem akkor tüzelnek, amikor fény éri őket, hanem épp fordítva: a csapok és pálcikák folyamatosan aktív állapotban vannak, és fény hatására "lefagynak" (ezt hívjuk tudományosabban hiperpolarizációnak), aminek következtében ilyenkor kevesebb ingerületátvivő anyagot bocsátanak ki. Mivel hamarosan igen lényegessé válik, még annyit bonyolítanék a dolgon, hogy a csapsejtek keltette furcsa ingerület- kakofóniából aztán a bipoláris sejtek hámozzák ki a lényeget két alapvető mechanizmus segítségével, ui. a csap-bipoláris sejtek további két nagy osztályba sorolhatók, aszerint, hogy akkor továbbítanak információt, ha a csapsejteket fény éri (ún. ON-bipoláris sejtek), vagy akkor, ha a csapsejtre eső fény intenzitása csökken (OFF-bipoláris sejtek).

Persze kontraintuitivitás ide vagy oda, a rendszer - mint azt a poszt olvasása bizonyítja - egész tűrhetően működik legtöbbünkben, és bármily obskurus is a fotoreceptor-sejtek viselkedése, elvesztésük megvakuláshoz vezet. Az ún. retinális degeneráció sok ezer ember életét keseríti meg, így nem meglepő, hogy sokan igyekeznek ellene valami ellenszert kiagyalni. 

Mivel a fotoreceptor-sejtek elpusztulása egyúttal a fényérzékeny opszinmolekulák elvesztését is jelenti, a teljes retina-hálózat lefagy, hiszen a maradék sejtek, bármennyire is egészségesek is, képtelenek lesznek a fotonokat valamilyen sejtszintű kémiai jellé alakítani. Hacsak.... nem segítünk be egy kicsit. És hogy ez nem teljesen elszállt ötlet, azt bizonyítja Roska Botond csoportjának napokban megjelent cikke.

Nem meglepő módon természetesen nem mindegy, hogy a retina melyik másik sejtjét tesszük "fényérzékennyé"; a folyamatosan tüzelő ON- és OFF-bipoláris, illetve amacrin és horizontális sejtek keltette káoszból látókéreg legyen a talpán, amelyik kihámozza a lényeget. Roskáék épp ezért azt használták ki, hogy néhány gén specifikusan csak az ON-bipoláris sejtekben fejeződik ki. Egy ilyen génnek, a Grm6-nak a szabályozó régióját fűzték egy zöldalgákból izolált, fényre aktiválódó ioncsatorna kódoló szekvenciájához, és az így létrehozott DNS szakaszt juttatták retinális degenerációban szenvedő egerek szemébe. Így ha a szemüket fény érte, az ON-bipolárisok (amelyeket normális esetben épp ilyenkor aktivizálna a velük kapcsolatban levő csapsejt) tüzelni kezdtek. A rendszer olyannyira működőképesnek bizonyult, hogy hat hónappal később számos egér még mindig képes volt fényérzékelésre. Ne kristálytiszta, "ötmegapixeles" képre tessék gondolni, inkább csak egyszerű sötétség-világosság megkülönböztetésre. De ez akkor is végtelenszer több információ, mint amit ezeknek az egereknek a retinája egyébként generálna...     

(Az egér retinát ábrázoló illusztráció Rachel Wong honlapjáról származik.)

Nehéz ma már átélni a döbbenetet, amelyet a 18. század végén az európai felfedezők érezhettek, mikor is először szembesültek a kacsacsőrű emlőssel. Nyilván az sem könnyített helyzetükön, hogy Angliában sokan egyszerű szélhámosoknak tekintették őket, akik koruk "olajfaló" hoaxában mesterkednek - hiszen ki gondolhatná komolyan, hogy kacsa csőrrel és hártyás lábbal ellátott emlősök valóban léteznek. Nem ez lett volna az első eset, hasonló próbálkozásokra, így aztán a skót anatómus, Robert Knox gyanakvása igazán érthetőnek tűnik: "ennek a különleges állatnak az első példányai [...] olyan hajókon keresztül jutottak Angliába, amelyek előzőleg az Indiai tenger vizeit szelték, s ez a tény önmagában is gyanakvást kellene keltsen a természettudósban, aki tisztában van azokkal a praktikákkal, amelyekkel tehetséges kínaiak verték át gyakorta a kalandvágyó európaiakat."

A különös lény azonban csak nem kart eltűnni, újabb és újabb felfedezők és kutatók számoltak be róla, míg aztán végül kétségtelenné vált, hogy a kacsacsőrű emlős valóban létezik. Különcsége miatt természetesen élénk érdeklődésre tartott számot, aminek azonban az élőhelyeinek messzisége szabott igencsak szűkös határt. Így történhetett, hogy a felfedezéstől számítva majdnem száz évnek kellett eltelnie, hogy egyértelművé váljon, az Ornithorhyncus anatinus (amint latinul végül elnevezték), tojással szaporodik.

Az evolúciós elmélet térnyerésével az is nyilvánvalóvá vált, hogy a viszonylag kisszámú, tojással szaporodó, kloakás emlős faj egyfajta "élő kövületnek" is tekinthető, hiszen az emlősök evolúciójának egy olyan lépését dokumentálják, amikor az emlők és a tejtermelés kialakult már, de a méhlepény még váratott magára. Persze ez nem azt jelenti, hogy a kacsacsőrűek (ill. más kloakások) felett megállt az idő; továbbhaladtak ők is saját evolúciós ösvényükön, magyarán a maguk módján ők is sokat változtak. Ez utóbbiról tanúskodik a napokban elkészült genomszekvenciájuk is.

A száraz tények mellett (az 52 kromoszómából álló genom durván 18,000 gént tartalmaz, és kb. fele ismétlődő szekvenciákból áll), természetesen ott figyelnek azok a nyalánkságok is, amelyek egyenként is külön posztokat érnek. (Pontosabban értek, hiszen sokról - pl. sajátos opszin génjeikről, vagy a szikfehérjéikről - már írtam.) Az egyik, az az állatvilágban egészen egzotikus genetikai nemmeghatározási mechanizmus, amely nem kevesebb mint öt (!!) pár kromoszómát igényel. Vagy ott van, az emlősök közül szintén csak kloakásokra jellemző elektrorecepció (a vízben élő kacsacsőrű emlős szorosan zárt szemekkel, füllel és orral vadászik, csak erre a különleges érzékére hagyatkozva), illetve a hím kacsacsőrűek hátsó lábán levő méregmirigye.

Mivel összességében is tucatnyinál kevesebb "mérgező" emlősről tudunk, ez a bájos kis vonás önmagában is vonzaná a kutatói tekinteteket. És nem is hiába: mint kiderült, a kacsacsőrű emlős és a különböző hüllő fajok méreganyagai, a konvergens evolúció eklatáns példájaként, azonos tőről fakadnak. Mindkét esetben, az egyébként az immunrendszerben fontos, beta-defensin gének duplikációjából eredeztethetőek a későbbi toxikus anyagok, bár hangsúlyozandó (mint azt a mellékelt ábra is tükrözi), a beta-defensinek duplikációja nem feltétlenül jelenti méreganyagok megjelenését. Az alaptézisen azonban ez sem változtat: még az olyan előzmény nélkülinek és drámainak tűnő evolúciós újítások, mint a méregkiválasztás, sem a semmiből keletkeznek, illetve egy jól alkalmazható receptre (kisebb-nagyobb változtatásokkal) néha többször is "rálel" a természetes szelekció. 

"A kétéltűek az első szárazföldi gerincesek, tüdővel lélegeznek", olvashatjuk a középiskolás kisokosokban - ami igaz is többségükre, de mint minden jó szabály alól, itt is vannak kivételek.

Persze az élettani korlátok jól behatárolják, hogy mely fajok rendelkezhetnek eféle különleges jelleggel: értelemszerűen, olyanok, ahol az oxigénbevitel valamilyen más módon megoldott/megoldható. Mivel a kétéltűek a bőrükön át is képesek a gázcserére, ez számukra önmagában még nem ördöngősség, de csak akkor, ha a szóbanforgó faj folyamatosan magas oxigéntartalmú, nedves környezetben leledzik - magyarán pl. hideg vízben.

Jópár szalamandra faj választotta ezt az utat, de tüdő mentes békát még nem ismert a tudomány - eddig. Most azonban Borneón épp egy ilyen kis különcre akadtak. A Barbourula kalimantaensis hideg és gyorsfolyású folyók aljzatán él és mint a mellékelt ábra is mutatja, ott ahol más fajok szájában (bal oldalt) a légcső nyílását találhatnánk, a B. kalimantanensis szája (jobb oldalt) sima felületével tűnik fel. És valóban, a boncolás, illetve szövettani festések sem leltek tüdőre emlékeztető szervet.

Bevallottan ignoráns ember révén, aki képes hónapokat leélni az ingyenes (pletyka)lapok böngészése nélkül, némi fáziskéséssel, csak most értesültem Stumpy, a négylábú kacsa létéről (extra lábainak elvesztése apropóján), noha hősünk, tavaly februári születése óta, kisebb celebritynek számít errefele.

És persze a négylábú szárnyast sújtó fejlődési rendellenesség pont olyan dolog, aminek a látványa megnöveli egy fejlődésbiológus pulzusát (lásd még Janus, a kétfejű teknős esetét is), arról nem is szólva, hogy mindig egy könnyed blogbejegyzés témája lehet.

A végtagok fejlődését korábban már elég hosszan taglaltam, így ezúttal egész röviden csak annyit emlékeztetőül, hogy a gerinces állatok végtagjai, fejlődésük során a testfal két oldalán megjelenő két pár dudorból, ún. végtagbimbóból alakulnak ki.

Ezekben a végtagbimbókban már jelen vannak azok a molekuláris jelek is, amelyek biztosítják, hogy első végtagunkból kéz, hátsó végtagunkból láb legyen, illetve a hüvelyk- és kisujjunk ott alakuljon ki ahol. Olyannyira így van ez hogy ha a végtagbimbót elforgatjuk a fejlődés során, akkor egy fordított végtag fejlődik ki belőle.

Az első efajta kísérleteket még a múlt század elején végezték el, az embriológia első aranykorában szorgalmas kutatók, és a választott model állat, a kor divatjának (és a praktikus szempontoknak) megfelelően egy kétéltű, szalamandra faj volt.

A szorgalmas embrionális "cut-and-paste" kísérletek során ( a baloldali ábrán a végtagbimbót a kis kör jelöli, a D,V, ill. A, P betűk pedig az embrionális tengelyeket, amelyekről a már említett végtagfejlődéses posztban bővebben is írtam) persze előbb utóbb óhatatlanul is sor került arra, amikor a végtagbimbót egyszerűen kettészelték, "lám most mi lesz" felkiáltással. Az eredmény: egy végtag helyett kettő alakult ki.

Valami hasonló történhetett Stumpy-val is a tojásban. Pontosan talán sohasem azonosítható okok miatt, a hátsó végtagbimbói ketté váltak, így aztán két extra lábbal kászálódott ki a tojásból - épp az ellenkező jelű rendellenességet mutatva, mint a nemrég talált hatlábú oktopusz.

(A gerinces és puhatestű végtagbimbók persze inkább különböznek, mint hasonlítanak, így a fenti összehasonlítás elég nagyvonalú - de annak pont megfelel. ;-))