А что, если мозг появился первым? Биолог предложил принципиально новый взгляд на Кембрийский взрыв

В истории нашей планеты есть период, который привлекает наибольшее внимание биологов и палеонтологов. Это интервал между 550 и 520 миллионами лет назад, когда биосфера Земли изменилась навсегда. Все время наука описывала эти события как «Кембрийский взрыв» — предполагалось, что в этот относительно короткий промежуток времени практически из ниоткуда появилось большинство современных типов животных со сложным строением тел.

Однако по мере накопления палеонтологических данных стало очевидно, что термин «взрыв» не совсем точен. Ученые все чаще используют понятие «Кембрийский каскад», потому что это была длинная цепь последовательных изменений, где каждое новое событие становилось причиной для следующего. В недавней публикации в научном издании BioEssays эволюционный биолог Ариэль Чипман предложил новую гипотезу, которая объясняет, почему этот каскад привел к появлению животных со сложным внутренним устройством. Согласно его выводам, ключевым фактором формирования многокамерных желудков, кровеносных систем и разделенных на сегменты тел стала первоначальная потребность организмов в сложном головном мозге.

Конец плоского мира

Чтобы понять логику, необходимо рассмотреть условия, в которых жили предки современных животных в самом конце эдиакарского периода. Этот этап неформально называют «Миром червей». Океанское дно того времени было покрыто сплошными слоями бактериальных матов. Жизнь первых двусторонне-симметричных животных протекала в одной плоскости. Они медленно ползали по поверхности этих колоний микроорганизмов и питались ими.

Строение этих существ было предельно простым: они имели сквозную пищеварительную трубку и примитивную нервную систему, которой было достаточно, чтобы поддерживать направление движения и распознавать пищу прямо перед собой. Никаких сложных органов, специализированных конечностей или развитых глаз у них не было.

Ситуация начала меняться на границе эдиакария и кембрия. Поведение животных усложнилось: они стали зарываться в грунт. Это на первый взгляд простое действие привело к глобальным последствиям. Бактериальные маты, покрывавшие морское дно, начали разрушаться. Среда обитания перестала быть плоской и превратилась в трехмерную. Животные начали использовать толщу воды, прятаться в осадке на дне и активно перемещаться.

Именно в этот момент появились первые настоящие хищники. Зарождение хищничества запустило эволюционную гонку вооружений: чтобы выжить, одним видам пришлось развивать защитные панцири и шипы, а другим — улучшать органы захвата добычи. Экосистема стала многоуровневой и невероятно плотной.

Проблема сенсорной перегрузки

В новом, трехмерном и полном опасностей мире требования к организмам многократно возросли. Животное больше не могло просто ползти вперед и есть. Ему требовалось непрерывно сканировать окружающее пространство: улавливать химические следы других организмов в воде, замечать изменения освещенности, чувствовать вибрации грунта и мгновенно принимать решения о том, в какую сторону двигаться.

Объем информации, поступающей от органов чувств, стал колоссальным. Примитивная нервная система в виде простой цепочки клеток уже не могла обрабатывать такой поток сигналов. Возникло сильное эволюционное давление, направленное на развитие вычислительных мощностей организма.

Чтобы интегрировать данные от химических, зрительных и тактильных рецепторов, центральная нервная система должна была разделиться на специализированные зоны. Так у некоторых групп животных начал формироваться сложный головной мозг — орган, в котором разные отделы отвечают за обработку разных типов информации и формирование сложных ответных реакций.

Генетическая цена сложного мозга

С биологической точки зрения вырастить мозг, состоящий из разных отделов, гораздо труднее, чем создать однородный пучок нервов. Для этого недостаточно просто иметь нужные гены. Требуется сложнейшая система управления ими.

В процессе развития эмбриона гены должны включаться и выключаться в строго определенное время, в конкретных группах клеток и с определенной интенсивностью. Для формирования мозга животным потребовалось развить сложные генные регуляторные сети. Это системы генетических переключателей, которые детально контролируют процесс построения тканей.

Гипотеза Ариэля Чипмана, получившая название «Brain-First» (Сначала мозг), строится на том, что именно необходимость создания сложной нервной системы заставила организмы развить этот продвинутый генетический инструментарий. Усложнение управления генами позволило сформировать мозг с четко выделенными регионами.

От мозга к телу: механизм повторного использования

Как только в распоряжении эволюции оказались сложные регуляторные сети для построения мозга, произошло событие, определившее облик современного животного мира. Эти генетические механизмы начали использоваться повторно для формирования других систем органов.

В эволюционной биологии процесс, при котором существующая биологическая программа или структура получает новое применение, называется кооптацией. Идея заключается в следующем: если у организма уже есть генетические инструкции, позволяющие разделить однородную нервную трубку на специализированные отделы (мозг), эти же инструкции можно применить к пищеварительной трубке. В результате пищеварительная система перестает быть просто длинным каналом и разделяется на специализированные зоны — отдел для измельчения пищи, отдел для химического переваривания и отдел для всасывания питательных веществ.

Точно так же генетические программы, отвечающие за сложное ветвление нервной ткани, могли быть задействованы для создания разветвленной кровеносной и выделительной систем. А программы, задающие пространственную разметку тела, позволили разделить туловище на отдельные повторяющиеся сегменты, что мы сегодня видим у многоножек, ракообразных или дождевых червей.

Почему усложнились не все

Важное подтверждение этой гипотезы кроется в том, что усложнение строения произошло не у всех животных кембрийского периода. Эволюция не требует обязательного усложнения, если организм и так успешно выживает.

Например, тип круглых червей (нематод) прошел через тот же этап роста разнообразия, став одной из самых многочисленных групп на планете. Однако их анатомия осталась предельно простой: их пищеварительная система однородна, а нервная система устроена базово. То же самое касается плеченогих (брахиопод), которые сильно увеличили число видов, но не создали новых сложных органов. Биологическое разнообразие может расти просто за счет адаптации к новым температурным условиям или источникам пищи, без изменения фундаментального плана строения тела.

Но три крупные группы животных — членистоногие (насекомые, пауки, раки), моллюски (улитки, осьминоги) и кольчатые черви — пошли по другому пути. Именно они демонстрируют полный набор анатомических новшеств: сложные мозги, разделенные на участки внутренние органы и высокоразвитые системы кровообращения. Гипотеза Чипмана связывает их успех с тем, что их предки в ответ на экологический вызов кембрия смогли успешно нарастить сложность нервной системы, а затем распространить эту сложность на все тело.

Много лет ученые спорили о том, как выглядел общий предок всех этих животных. Одно время считалось, что он уже должен был обладать сегментированным телом, сложным мозгом и развитыми глазами (гипотеза сложного предка, или сложной Урбилатерии). Однако палеонтология не находила подтверждений существования такого развитого существа в древних отложениях. Новая гипотеза снимает это противоречие: сложного предка никогда не было. Разные группы животных приобрели сложную анатомию независимо друг от друга в ходе кембрийского каскада, но использовали для этого один и тот же биологический механизм, запущенный развитием мозга.

Проверка гипотезы в настоящем

Особенность качественной научной гипотезы в том, что ее можно проверить, даже если события происходили полмиллиарда лет назад. Ответы хранятся в ДНК ныне живущих животных.

Если формирование сложных органов действительно было следствием развития мозга, ученые смогут проследить это на уровне генов. Согласно предложенной модели, разнообразие элементов, управляющих развитием тела у членистоногих, моллюсков и кольчатых червей, должно быть напрямую связано с сетями, управляющими развитием их нервной системы.

Проще говоря, если изучить геном современной улитки или краба, то генетические инструкции, ответственные за построение их пищеварительной или кровеносной систем, должны представлять собой часть (подмножество) тех генетических инструкций, которые используются для формирования их мозга. И наоборот: у простых организмов, не прошедших этап усложнения нервной системы в кембрии, не должно быть такого богатого набора генетических регуляторов.

Современные технологии расшифровки геномов позволяют провести такой анализ в ближайшие годы. И если генетики найдут эти следы повторного использования генов, это будет означать, что многообразие форм современных животных — от сегментов многоножки до щупалец осьминога — это прямое следствие того, что в древнем океане предкам этих животных понадобилось быстрее обрабатывать сигналы окружающего мира. Организму пришлось стать умнее, чтобы выжить, и лишь поэтому он обрел современное тело.

Источник: BioEssays