Wat heeft een muis gemeen met een kraakbeenvis, bekend als een kleine schaats?
Op het eerste gezicht denk je misschien niet veel. Je bent donzig, met grote oren en snorharen; de ander ademt met kieuwen en golft zich een weg rond de oceaan. Een daarvan is een proefdier of huishoudelijk ongedierte; de andere is het meest waarschijnlijk te zien in het wild, of de bodem van een ondiep zwembad in een aquarium. Maar het blijkt dat deze twee gewervelde dieren iets cruciaals gemeen hebben: het vermogen om te lopen. En de reden waarom we de manier waarop we denken over de evolutie van wandelen bij landdieren - inclusief mensen - zouden kunnen veranderen.
Een nieuw genetisch onderzoek van wetenschappers aan de New York University onthult iets verrassends: net als muizen hebben kleine schaatsen de genetische blauwdruk die het rechts-links afwisselingspatroon van voortbeweging mogelijk maakt dat vierbenige landdieren gebruiken. Die genen werden doorgegeven van een gemeenschappelijke voorouder die 420 miljoen jaar geleden leefde, lang voordat de eerste gewervelde dieren ooit van zee naar kust kropen.
Met andere woorden, sommige dieren hadden de neurale paden die nodig zijn om te wandelen, zelfs voordat ze op het land woonden.
Vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Cell, begon het nieuwe onderzoek met een fundamentele vraag: hoe evolueerden of veranderden verschillende motorische gedragingen in verschillende soorten in de loop van de tijd? Auteur Jeremy Dasen, universitair hoofddocent aan het NYU Neuroscience Institute, werkte eerder aan de beweging van slangen. Hij werd geïnspireerd om naar schaatsen te kijken na het lezen van het boek van Neil Shubin, Your Inner Fish: A Journey into the 3, 5-Billion-Year History of the Human Body, maar wist niet echt waar hij moest beginnen.
"Ik had geen idee hoe een skate eruit zag", zegt Dasen. 'Ik had het eerder in een restaurant gegeten. Dus ik deed wat iedereen doet, ik ging naar Google om video's van schaatsen te vinden. ”Een van de eerste dingen die hij vond was een YouTube-video van een clearnose skate die zich bezighoudt met loopgedrag. “Ik had zoiets van, wauw, dat is echt gaaf! Hoe doet het dat? 'Zegt hij.
Met behulp van schaatsen verzameld door het Marine Biological Laboratory in Woods Hole probeerden Dasen en anderen erachter te komen. Ten eerste, de basis: kleine schaatsen zijn bodembewoners die langs de hele oostkust in de Atlantische Oceaan wonen. Ze hebben eigenlijk geen benen en hun lopen lijkt niet op een mens die gaat wandelen. Wat ze gebruiken zijn voorste bekkenvinnen genaamd "crus", gelegen onder de veel grotere ruitvormige zeilachtige vin die golft tijdens het zwemmen.
Wanneer ze zich voeden, of langzamer moeten bewegen, betrekken ze hun crus in een links-rechts afwisselende beweging langs de oceaanbodem. Van onderaf lijkt het bijna op kleine voetjes die de schaats naar voren stuwen.
Maar Dasen en zijn team waren niet alleen geïnteresseerd in de biomechanica; ze wilden de genen identificeren die de motorneurale paden voor skate-lopen beheersten.
Wanneer we naar de lay-out van een gewervelde kijken, beginnen genetici vaak met Hox-genen, die een cruciale rol spelen bij het bepalen van het lichaamsplan van een organisme. Als de genen zijn uitgeschakeld of verkeerd zijn gerangschikt, kan dit rampzalig zijn voor het dier (zoals in het experiment waarbij een vlieg benen liet groeien in plaats van antennes op zijn hoofd nadat wetenschappers opzettelijk bepaalde Hox-genen hadden uitgeschakeld).
Dasen en zijn collega's keken ook naar een genetische transcriptiefactor genaamd Foxp1, gelegen aan het ruggenmerg in tetrapoden. De vereenvoudigde verklaring is dat het werkt door motorneuronen te activeren die de loopbeweging mogelijk maken.
"Als je [Foxp1] knock-out in modelorganismen zoals muizen, hebben ze al het vermogen verloren om hun ledemaatspieren te coördineren, " zegt Dasen. "Ze hebben een ernstige vorm van motorische coördinatie waardoor ze niet normaal kunnen lopen." Het is niet zo dat de muizen zonder Foxp1 niet de ledematen of spieren hebben die nodig zijn om te lopen - ze hebben gewoon hun circuits niet correct bedraad om dit te doen.
Die combinatie van genen in kleine schaatsen waarmee ze zich een weg banen over de zeebodem op zoek naar diner gaat helemaal terug naar een gemeenschappelijke voorouder die 420 miljoen jaar geleden leefde - een verrassing voor de onderzoekers, omdat het vermogen om te lopen werd gedacht te komen nadat de overgang van zee naar land begon, niet eerder. Het feit dat dergelijke genetische eigenschappen zo lang vasthielden en zich op zulke unieke manieren ontwikkelden over verschillende soorten, droeg alleen maar bij aan de opwinding van Dasen.
"Er is veel literatuur over de evolutie van ledematen, maar het houdt niet echt rekening met de neuronale kant van dingen, omdat het veel moeilijker is om te bestuderen, " zegt Dasen. “Er is geen fossielenbestand voor neuronen en zenuwen. Er zijn veel betere manieren om evolutie te bestuderen door naar benige structuren te kijken. ”
Veel onderzoekers hebben naar het fossielenbestand gekeken voor details over de vroegste landbewoners. Er is Elginerpeton pancheni, een vroege viervoeter die ergens rond de 375 miljoen jaar geleden buiten de oceaan leefde. En dan is er Acanthostega, een andere oude gewervelde die wetenschappers onlangs hebben geanalyseerd om meer te weten te komen over de groeipatronen van ledematen en seksuele volwassenheid.
Ondertussen hebben andere biologen aanwijzingen verzameld door te kijken naar enkele van de vreemdste vissen die tegenwoordig leven, waarvan vele oude lijnen hebben. Sommigen hebben gekeken naar coelacanths en sarcopterygians, of longfish (de laatste gebruiken hun bekkenvinnen om te bewegen in een beweging zoals wandelen). Anderen hebben bishr-beweging onderzocht. De Afrikaanse vissoort is uitgerust met zowel longen als kieuwen, zodat hij uit water kan overleven - en heeft een beweging die vergelijkbaar is met lopen wanneer hij gedwongen wordt op het land te leven, zoals te zien is in het experiment van 2014 van de universiteit van Ottawa-bioloog Emily Standen en anderen.
Standen zegt dat ze veel bewondering heeft voor het nieuwe onderzoek naar kleine schaatsen. "Ik had verwacht dat er nogal wat overeenkomst zou zijn [in de systemen achter de beweging van verschillende dieren], maar het feit dat het zo dichtbij is als het is, was een leuke verrassing, " zegt ze. "Het spreekt sterk in wat ik geloof, dat het zenuwstelsel en hoe het zich ontwikkelt en functioneert zeer flexibel is."
Die flexibiliteit is duidelijk de sleutel geweest in de evolutionaire geschiedenis. Dankzij die 420 miljoen jaar oude voorouder hebben we nu alles, van vissen die zwemmen, slangen die glijden, muizen die lopen, tot schaatsen die een combinatie van bewegingen gebruiken - met het Foxp1-gen tot expressie of onderdrukt afhankelijk van de dierlijk uniek lichaamsplan en motoriek.
En nu we iets meer weten wat die beweging in skates beheerst, is het mogelijk dat kennis een toekomstig gebruik kan hebben bij het begrijpen van bipedalisme bij mensen.
"Het basisprincipe waarmee motorneuronen verbinding maken met verschillende circuits is niet echt uitgewerkt [in complexe organismen], dus de skate is een manier om daarnaar te kijken in een eenvoudiger systeem, " zegt Dasen. Maar hij wil zichzelf niet te ver vooruit laten lopen door te voorspellen wat dat voor de toekomst zou kunnen betekenen. Dasen hoopt alleen maar dat mensen bij het zien van het onderzoek gewoon zullen denken: “Gegroet, dat is echt netjes. Ze kunnen lopen! '
