В търсене на произхода на мозъка Inspire article

Превод от Здравка Костова и Райчо Димков. Detlev Arendt, молекулярен биолог в Европейската лаборатория по молекулярна биология в, Heidelberg, Germany, описва пред Russ Hodge как…

Detlev Arendt

През стъклото на прозорците на неговия мъничък офис можеш да видиш четири или пет членове от изследователския екип на Детлев Арент, които пипетират или драскат нещо в бележниците си, подготвяйки експериментите. Детлев се осмелява да влиза в лабораторията всеки ден, но се чувства като у дома си най-вече на бюрото си, заобиколен от купчини книги и статии.

„По природа аз съм по-скоро кабинетен учен” – казва той. „Лесно мога да прекарам целия си ден четейки или пишейки. Но най-добрата наука идва от брака между теорията и лабораторната работа. Можеш да имаш велики идеи, но когато получиш научните данни, често пъти нещата се преобръщат в сравнение с това, което си си въобразявал, така че крайният резултат е по-хубав”.

Даже Чарлз Дарвин, още на кораба „Бигъл”, е трябвало да отделя време за микроскопа; казвали са му, че един „сериозен биолог” трябва да е изучил щателно поне един организъм и с това да направи оригинален принос. В резултат на това той посвещава едно десетилетие на същество, на което дотогава е било отделяно малко внимание: дребно ракообразно.

Кабинетният подход се оказал необичайно успешен за Детлев още от третата му студентска година в университета. Казва, че е бил „типичен студент”, не особено загрижен за кариерата си. Избрал биологията понеже в училище бил привлечен от най-сложните намерени от него области, а биологията естествено била достатъчно сложна.

Детлев също считал да работи и по екология. Бил въвлечен в тази област през 18-месечния период на гражданска служба, която младите германци могли да избират вместо военната. Тогава правел екскурзоводни рейсове по крайбрежието на Северна Германия. „Това е очарователен хабитат” – казва той. „Приливът се оттегля и ти можеш да вървиш с километри по мокрия бряг, намирайки милиони червеи, миди и охлюви, които не можеш да видиш никъде другаде”. Но когато настъпило време да реши върху кой предмет да се концентрира в университета, Детлев почувствал , че екологията не предлага достатъчно и вместо нея той избрал биологията.

49-ата гравюра от Ernst
Haeckel’s Kunstformen der
Natur
(1904), показваща
различни морски анемони,
класифицирани като
Actiniae

Когато дошло време да пише дипломната си работа, отишъл да чете в библиотеката. Две теми го заинтригували страшно много: еволюцията и развитието – как телата на животните израстват от една единствена яйцеклетка. По това време тези две области започнали да вървят заедно към молекулярно равнище, следвайки стъпките на един немски учен от 19-и век на име Ернст Хекел.

„Хекел издига идеята, че докато се формира индивидуалното животинско тяло, то преминава през фази, които напомнят еволюционната му история като вид. Така човешкият ембрион започва като единични клетки, сетне минава през стадии, които първо наподобяват много просто устроени многоклетъчни, а по-късно – червеи, риби и бозайници, докато накрая приеме уникалната форма на човек”.

Един век по-късно учените започват да разбират, че телесните тъкани и структури възникват когато млади клетки активират нови набори от гени, променяйки техните форми и взаимодействия при изграждането на тъканите и органите.Молекулярната биология на развитието и генетиката навлязоха заедно в нова изследователска област, наречена еволюция и развитие.

В началото на 90-те години на ХХ век , когато Детлев още седял в библиотеката, това ново направление е било в зародиш. Едно удивително проучване разкрива, че особено семейство от  гени е било консервирано през почти милиард години еволюция във всички групи организми. Наречени хомео-бокс- гени (НОХ), те залагат основите на организацията „от главата до опашката” при планирането на раздалечени един от друг животински видове. НОХ-гените са подредени един до друг в хромозомата, подобно на поредица от думи, формираща изречение. Щом клетките в ранните ембриони се разделят, то НОХ-гените един след друг се активират по реда, в който са разположени в хромозомата. И като резултат стъпка по стъпка става оформянето на главата и по-долните сегменти от тялото при червеи, мухи и хора.

98-ата гравюра от Ernst
Haeckel’s Kunstformen der
Natur
(1904), изобразяваща
организми, класифицирани
като Discomedusae

Дали и други части от тялото се изграждат с използването на древни копия, подобни на НОХ-гените? „Хората тръгнаха да търсят модели” – казва Детлев. „Например, открити бяха молекули, които формират коремната и гръбната – долната и горната – страна при мухите. След това започнаха да търсят родствени на тези гени при бозайниците. Намериха най-възловите от тях и бе описано в литературата как мутациите в тези гени повлияват проектирането и изграждането на тялото при бозайниците. Но в началото не проличаваше да има ясен паралел между насекоми и гръбначни”.

Детлев четял статия след статия в търсене на сходства между мишки и мухи. Докато се взирал в две статии, лежащи една до друга на бюрото му, едната за насекомите, другата за мишките, изведнъж в главата му изскочил един модел.

„Може би в крайна сметка е имало проста генетична програма, определяща тези страни” – казва той. „Всичко, което трябва да направиш, е да изградиш едно предположение – а именно, че гените, които формират коремната страна на насекомите, са формирали нашата гръбна страна – и обратно. С други думи, в някаква точка от еволюцията гръбначните са отскочили далеч напред”.

Детлев преровил цялата достъпна му литература за гените, управляващи тези процеси на развитие. Всичко, което намерил, подсказвало, че той е бил прав. И така, той проверил резултатите с една от преподавателките си в Университета на Фрайбург, Катарина Нюблер-Юнг. Тя го окуражила да изпрати писмо до едно от най-авторитетните списания в света – Nature.

Резултатът бил нещо почти нечувано – в Nature отпечатали научно съобщение от студент. Учени от всякъде надникнали по-надълбоко в хипотезата на Детлев, дори видели модели в собствените си данни, пропуснати до този момент. Той започнал да получава покани за конференции от цял свят. Да бъде поканен от толкова много места било не само вълнуващо – то му дало темата и за докторска дисертация.

Jochen Wittbrodt и Detlev
Arendt

Детлев ме повежда от офиса си през лабораторията, после надолу по коридора до друго помещение. Тук са аквариумите, пълни с любимите му организми: малък морски червей, наречен Platynereis dumerilii. Той го донесъл в Европейската лаборатория по молекулярна биология, когато започнал пост-докторската си работа приJochen Wittbrodt.

Детлев работеше върху най-актуален въпрос: той искаше да открие най-ранните еволюционни етапи в произхода на мозъка. Това отлично си подхожда с работата на Йохен, понеже той се интересувал от произхода на окото. А ако се върнеш достатъчно назад в еволюцията, то проблемът е  реално  същият.

Platynereis dumerilii

За да обясни това, той взема кръгло блюдо с енергично плуващи червеи. Това просто същество държи важни ключове за отговора на въпроса относно произхода на нашия мозък. „Всички животни с мозъци и с очи – от насекомите до човека – произхождат от един предшественик; от него – казва той – е произлязъл и Platynereis. Този предшественик е имал симетричен план на тялото си от главата до опашката, :дясната и лявата половина са били огледални една спрямо друга. Преди той да се появи е имало и други форми на живот, които са нямали такава симетрия, например гъбите”.

Някои черти на този червей наподобяват онзи предшественик много повече, отколкото днешните насекоми и гръбначни, правейки го да прилича на „живо изкопаемо”. Мозъкът на  Platynereis дава идея за общото,  което имат помежду си  мозъците на насекомите и на гръбначните, а оттук и за мозъка на техния общ предшественик. Чрез изучаване на неговото развитие Детлев се надява да разкрие как са възникнали първите мозъци.

Откъде произхожда мозъкът? Въпросът може да означава две различни неща, казва Детлев. Първото е как е еволюирал мозъкът на нашия вид. Второто е как мозъкът на индивида е развива от една единствена клетка. Съвсем наскоро, вървейки по стъпките на Ернст Хекел, учени като Детлев започнаха да свързват тези две неща.

Оплодената яйцеклетка се дели многократно, диференцирайки се в специализирани типове клетки – кръвни, мускулни, нервни – които изграждат всички наши тъкани и органи в отрязъка от девет месеца. Това става, защото нашият генетичен код съдържа инструкции за получаването  на десетки хиляди различни молекули, подобно на грамадна рецептурна книга. Макар че всяка клетка в тялото ни съдържа копие от цялата книга, всеки тип клетки извлича само малък набор от рецептите, произвеждайки уникален коктейл от молекули, които определят формата и поведението на клетките. Съвременната технология позволява на учените да анализират този белтъчен коктейл, добивайки „молекулен отпечатък”, който идентифицира типа клетки. Това им дава възможност да открият клетките, които са на прага да станат първите нерви и части на мозъка, далеч преди да има разпознаваеми органи.

Детлев е убеден, че молекулният отпечатък може също да се използва за откриване на съответни клетки сред различни видове. В продължение на близо милиард години – вярва той – еволюцията се е придържала към основната рецепта за създаване на основните типове клетки и органи. Сходни клетъчни типове при различните животни  споделят най-важните съставки на коктейла защото са били унаследени от общ предшественик. И така, ако можете да откриете такива клетки в насекоми, риби или бозайници, след което да ги привържете към общата рецепта, вие вероятно ще имате оригиналния коктейл за изграждане на мозъци. Образците могат да бъдат тествани чрез съпоставката им с това, което се случва при Platynereis.

Това е нов метод,  променящ начина, по който биолозите изучават еволюцията и Детлев мисли, че той разрешава големите дебати около една от еволюционните загадки на Дарвин: колко пъти  природата е „откривала” окото. Дори след най-прецизен анализ с помощта на електронен микроскоп на клетки от различни видове учените достигат до много различни заключения – изчисляват се от два до 40 различни опити за „ еволюционно изобретяване” на очите.

Фингерпринтовата техника  е позволила на Детлев, Йохен и на много ентусиазирани докторанти да изяснят някои от заплетените неща. „Аз бих бил загубен без моите студенти” – усмихва се Детлев. Започвайки с ключовите гени, участващи в образуването на чувствителни към светлината клетки при насекомите, те проверили за наличието на съответни молекули в генома на бозайници и риби. След това почнали да сканират ранни ларви от Platynereis, търсейки клетки, които използват тези гени. Появил се модел: при всички тези различни видове била използвана една и съща рецепта за образуването на два коренно различни типа фоторецепторни клетки. Така че, макар  очите на днешните насекоми и гръбначни животни да изглеждат твърде различно – дори чак до архитектурата на клетките, които ги съставят – те могат да бъдат проследени назад във времето до тези два типа светочувствителни клетки.

Изследователската група на
Detlev: Heidi Snyman, Kristin
Tessmar, Patrick Steinmetz и
Detlev ( по часовниковата
стрелка, отгоре вляво)

Проектът също така е дал на учените детайлен обзор за това как еволюцията може създава различни органи от едни и същи базисни типове клетки. Фоторецепторните клетки се използват за строежа на много различни структури; изглежда, че различните клонове на живота са се отделили от клетката по различни начини. По някакъв начин обаче те имат отношение към окото и към  неговите връзки с мозъка.

Работата с Йохен сега дава на Детлев и на неговите ентусиазирани студенти инструментите, от които се нуждаят за да се захванат с въпроса за еволюцията на мозъка. Да се направи това се изисква сериозна комбинация от идеи и научни данни. Това не е нещо ново в науката за еволюцията. Доказателството, че  видовете могат да се променят е отдавна известно; било е потребно обаче младеж на възрастта на Детлев да обърне поглед назад към данните, да се усамоти в креслото си и да вплете всичко заедно в една цялостна теория. Не би трябвало да ни изненадва, че поемането на грижата за недовършената работа на Дарвин отпреди 150 години ще изисква подобен подход.


Institution

EMBL

License

CC-BY-NC-ND