Перевод осуществлен проектом Newочём.

Мороз, нейробиолог, обнаружил первый намек на свое будущее открытие летом 1995 года, вскоре после переезда в США из родной России. То лето он провел в морской лаборатории Фрайдей-Харбор в Вашингтоне. Она располагалась посреди покрытого лесом архипелага в системе заливов Пьюджет-Саунд — на перекрестке противоборствующих потоков и течений, проносящих мимо скалистых берегов сотни видов морских животных: стаи медуз, амфиподов, волнистых морских лилий, голожаберных моллюсков, плоских червей и головастиков, морских звезд и т. п. Эти организмы олицетворяют собой не только морскую природу дальних районов Пьюджет-Саунда, но и самую дальнюю ветвь эволюционного древа. Мороз проводил часы на пирсе у лаборатории, собирая животных для изучения их нервной системы. Он потратил годы на исследования нервных систем царства животных в надежде понять эволюцию интеллекта и мозга. Однако во Фрайдей-Харбор он приехал ради одного конкретного животного.

Он научился различать его луковицеобразное, прозрачное тело в залитой солнцем воде: переливчатый блеск и едва различимые оттенки радужного света, рассеиваемые ритмичным хлопаньем «гребней» из ресничек, удерживающих тело на плаву. Этот вид организмов, называющийся гребневиком, долго считался еще одним видом медузы. Но тем летом во Фрайдей-Харбор Мороз сделал потрясающее открытие: непримечательный внешний вид этого животного скрывал беспрецедентный случай ошибочной идентификации. Уже после первых экспериментов ученый смог понять, что гребневики никак не относятся к медузам. Фактически они кардинально отличаются от каких-либо других животных на Земле.

Мороз пришел к этому выводу, проводя эксперименты над нервными клетками гребневиков в попытках обнаружить нейромедиаторы — серотонин, дофамин и оксид азота — химические проводники, считающиеся универсальным языком нервных систем всех животных. Как бы он их ни искал, найти эти молекулы ему не удалось. Выводы оказались ошеломляющими.

Уже до этого было известно, что у гребневиков относительно продвинутая нервная система; однако первые эксперименты Мороза показали, что их нервы выстроены из особого набора молекулярных строительных блоков — отличного от набора любого другого животного организма — с использованием, по словам Мороза, «другого химического языка»: эти животные — «морские пришельцы».

Если Мороз прав, то гребневики представляют собой эволюционный эксперимент невероятных масштабов, протекавший более миллиарда лет. Этот отдельный путь эволюции — Эволюция 2.0 — сформировал нейроны, мышцы и прочие специализированные ткани независимо от остального животного мира, используя другие строительные материалы.

Особенности гребневиков являются ответом на вопрос: к чему могла прийти эволюция, если не к появлению позвоночных, млекопитающих и людей, доминирующих над экосистемой Земли? Строение этих организмов также проливает свет на великий спор, бушевавший десятилетиями: если говорить о настоящем положении дел жизни на Земле, сколько всего произошло волей случая и как много было предопределено с самого начала?

Если бы эволюция была перезапущена, появился бы интеллект снова? И если да, могла бы сформироваться другая обширная ветвь древа царства животных? Гребневики предлагают многообещающий ответ, являясь живым примером носителя мозга, отличного от мозга других животных. Мозг стал венцом творения конвергентной эволюции — процесса, в котором у неродственных видов развиваются схожие черты для адаптации к одним условиям обитания. Люди обладают беспрецедентно развитым интеллектом, однако физиология гребневиков показывает, что мы можем быть не одни. Склонность сложных нервных систем к эволюции, возможно, является универсальной — не только на Земле, но и на других планетах.

По сравнению с основными группами организмов гребневики плохо изучены. Их тела на первый взгляд напоминают тела медуз — желатинообразные, продолговатые или шарообразные, с круглым ротовым отверстием на другом конце. Гребневики в изобилии обитают в океанах, но ученые довольно долго не обращали на них внимания. В начале 20 века схематичные наброски чаще всего изображали животное вниз головой, с ротовым отверстием, обращенным к морскому дну, как у медуз, тогда как в реальности во время движения их рот направлен вверх.

В то время как медузы передвигаются в воде благодаря мышечным сокращениям, гребневики использует для плавания тысячи ресничек. Гребневики — прожорливые хищники, известный своей засадной тактикой. В отличие от жалящих щупалец медузы, гребневик охотится двумя липкими, выделяющими клей щупальцами — инструментами, не имеющими аналогов в животном мире. Охотясь, он раскидывает их подобно паутине и методично ловит одну жертву за другой.

Когда ученые во второй половине 19 века начали исследовать нервную систему гребневиков, им не показалось чем-то необычным то, что они увидели в микроскоп. Плотный клубок нейронов располагался возле нижней части тела животного, диффузная сеть нервов распространялась по всему телу, и горсть толстых нервных пучков отходила к каждому из щупальцев и к каждой из восьми связок ресничек. Во время исследования под электронным микроскопом, проведенного в 60-е годы, обнаружили то, что служило синапсами этих нейронов — пузыреобразные отделения, которые освобождали нейромедиаторы, стимулирующие соседнюю клетку.

Ученые ввели в нейроны живого гребневика кальций, спровоцировав возникновение электрических импульсов, подобных тем, что протекают в нервах крыс, червей, мух, улиток и других животных. Стимулируя определенные нервы, исследователи смогли заставить двигаться реснички в разных направлениях — вперед или назад.

В целом казалось, что нервы гребневиков ведут себя подобно нервам любого другого животного. Поэтому биологи предположили, что в них не было ничего особенного. Такая точка зрения внесла свой вклад в формирование общей картины о царстве животных — и она оказалась неверной.

К началу 90-х ученые поместили гребневиков внизу эволюционного древа на ветвь возле стрекающих кишечнополостных, в группу, включающую медуз, морских анемонов и кораллы. У медуз и гребневиков есть мышцы, у обоих видов — диффузная нервная система, которая не полностью уплотнилась в мозге. И, конечно, оба хорошо известны своими мягкими, колышущимися и нередко прозрачными телами.

Над гребневиками и медузами на эволюционном дереве располагаются две другие ветви животных, которые, очевидно, были более примитивны: пластинчатые и морские губки, у которых нервная система отсутствовала в принципе. Казалось, именно губки находятся за гранью животного царства: пока в 1866 году английский биолог Джеймс Кларк не доказал, что губки действительно являются животными.

Это помогло закрепить губку в качестве нашей ближайшей живой связи с древним, праживотным миром одноклеточных протистов, родственных современным амебе и инфузории. Исследователи аргументировали это тем, что губки эволюционировали, когда древние протисты собирались в быстрорастущие колонии, где каждая клетка использовала свои жгутики — нитевидную структуру, родственную ресничкам — для пропитания вместо передвижения.

Такая риторика поддерживала удобную точку зрения на постепенный процесс эволюции нервной системы, которая становилась более сложной вместе с каждой ветвью эволюционного древа. Все животные были сыновьями и дочерьми одной секунды эволюционного творения: рождения нервной клетки. И только однажды, на последующем этапе эволюции, эти нейроны пересекли второй важнейший порог — их объединение в централизованную систему. Такой взгляд поддерживается еще одним свидетельством: поразительными сходствами в организации нервных клеток у насекомых и у людей, где нейронные цепи лежат в основе эпизодической памяти, пространственной навигации и общего поведения. Фактически, ученые придерживались мнения, что первый мозг появился достаточно рано, до того, как предки насекомых и позвоночных разошлись на эволюционном пути. Если это было бы правдой, тогда прошедшие с этого момента 550 или 650 миллионов лет представляли бы одну-единственную линию, где разнообразные роды животных развиваются по одному и тому же лекалу.

Такая картина эволюции мозга выглядела правдоподобно, но наблюдая за гребневиками во Фрайдей-Харбор в 1995 году, Мороз начал подозревать, что она была в корне неверной. Чтобы продемонстрировать свои догадки, он собрал несколько видов гребневиков, разрезал их нервные ткани на тонкие срезы и обработал их специальными химическими составами, пытаясь выявить присутствие дофамина, серотонина или оксида азота — трех нейромедиаторов, которые были широко распространены внутри животного царства. Снова и снова он смотрел в микроскоп и не видел на препарате следов желтых, красных или зеленых пятен.

Едва вы повторяете эксперимент, говорит Мороз, вы начинаете понимать, что это действительно совершенно другие животные. Он предположил, что нервная система гребневиков не просто отличалась от системы предполагаемой родственной группы, медуз — она также в крайней степени отличалась от любой другой нервной системы на Земле.

Складывалось впечатление, что гребневики следовали совершенно иному эволюционному пути, но Мороз еще не был уверен. Если бы он опубликовал результаты тогда, после исследования лишь пары важных молекул, никто бы не обратил на него внимания. «Выдающиеся заявления требуют выдающихся доказательств», — утверждает Мороз. И потому он вступил на продолжительный и непростой путь, который занял гораздо больше времени, чем он изначально предполагал.

Он подавал заявления на получение финансирования для изучения гребневиков при помощи иных методик — к примеру, за счет исследования их генов — но сдался после нескольких тщетных попыток. В то время он был еще молод, за несколько лет до этого покинул Советский Союз, и только начал публиковать свои работы в англоязычных журналах, где они должны были вызвать более широкий интерес. Потому Мороз отложил исследование гребневиков в долгий ящик и вернулся к своей основной работе — изучению нейронных сигналов у улиток, осьминогов и прочих моллюсков. Лишь спустя 12 лет по воле случая ученый вернулся к столь интересующему его проекту.

В 2007 Мороз посетил научную конференцию во Фрайдей-Харбор. Однажды вечером он набрел на ту самую пристань, где провел так много времени в 1995 году. Там ученый случайно заметил радужные искры гребневиков, плывущих по течению под светом фонаря. К тому времени наука сделала большой шаг вперед и позволяла расшифровать целый геном за несколько дней, а не лет, как прежде. Да и сам Мороз к тому времени стал признанным ученым, у него была в распоряжении собственная лаборатория в Университете Флориды. Наконец он мог позволить себе потешить любопытство.

С помощью сети ученый наловил с дюжину гребневиков вида Pleurobrachia bachei, или морского крыжовника. Он заморозил их и отправил в свою лабораторию во Флориде. Спустя три недели у него был частичный транскриптом гребневика — около 5-6 тысяч генных последовательностей, которые были непосредственно связаны с нервной деятельностью животного. Полученные результаты поражали.

Во-первых, выяснилось, что у гребневиков вида Pleurobrachia отсутствовали гены и ферменты, необходимые для создания большого числа нейромедиаторов, широко распространенных среди других животных. К числу таких нейромедиаторов относились не только те, которые Мороз заметил в 1995 году — серотонин, дофамин и окись азота — но и ацетилхолин, октопамин, норадреналин и пр. К тому же, у гребневиков не было генов для рецепторов, позволяющих нейронам воспринимать данные нейромедиаторы.

Это дало подтверждение тому, что Мороз ожидал обнаружить на протяжении многих лет: когда в 1995 ему не удалось найти у гребневиков широко распространенные в мире животных нейромедиаторы, виной тому служили не ошибки в методолгии, а тот факт, что животное никоим образом их не использовало. По словам ученого, это стало «грандиозным потрясением».

«Все мы используем нейромедиаторы. И у медуз, и у червей, и у моллюсков, и у людей, и у морских ежей наблюдается весьма жесткий набор сигнальных молекул», — утверждает ученый. Но каким-то образом нервная система гребневиков эволюционировала так, что функции нейромедиаторов взяли на себя иные, пока неизученные, наборы молекул.

Транскриптом и секвенирование ДНК показали, что у гребневиков также отсутствовали многие другие гены, присущие царству животных, необходимые для создания и функционирования нервной системы. У Pleurobrachia не было многих характерных для животных белков, которые известны как ионные каналы и служат для прохождения по нервам электрических сигналов. У гребневиков отсутствовали и гены, которые отвечают за процесс преобразования зародышевых клеток в зрелые нервные клетки, а также гены, которые отвечают за поэтапную организацию этих нейронов в зрелые функционирующие цепи. «Речь шла не просто о наличии или отсутствии нескольких генов. Здесь была поистине грандиозная конструкция», — утверждает ученый.

Это означало, что нервная система гребневиков эволюционировала с нуля, при помощи отличной от любого известного на Земле животного комбинации молекул и генов. Это был классический пример конвергенции: нервная система у рода гребневиков сформировалась за счет имеющихся в наличии исходных материалов. В каком-то смысле это была инопланетная нервная система — ведь она эволюционировала отдельно от всего остального животного мира.

Но на этом сюрпризы не закончились. Выяснилось, что гребневики — уникальные животные не только с точки зрения нервной системы. Гены, причастные к развитию и функционированию мышц, также были совершенно иными. К тому же у гребневиков не наблюдалось несколько разновидностей общих генов, отвечающих за формирование тела, которые прежде считались универсальными для всех животных. К их числу относятся так называемые микроРНК, которые помогают в создании специальных типов клеток в органах, и Hox-гены, которые разделяют тела на отдельные части, будь то сегментирование тела червя или омара, или дифференцирование позвонков и костей пальца человека. Эти типы генов есть даже у простейших губок и пластинчатых, но их нет у гребневиков.

Всё вышеперечисленное привело к невероятному выводу: несмотря на более сложное строение, чем у губок и пластинчатых — которые обделены нервными клетками и мускулами, как и практически любыми другими специализированными клетками — гребневики на самом деле являются древнейшей ветвью эволюционного древа. Каким-то образом за период от 550 до 750 миллионов лет у гребневиков развилась нервная система и мускулы, схожие по сложности с теми, которыми обладают медузы, актинии, морские звезды и разные виды червей и моллюсков, но сформированные на основе иного набора генов.

Мороз пытался опубликовать результаты своих исследований в 2009 году, однако его статью не приняли. Тогда он продолжил свои опыты.

Даже когда Мороз подтвердил полученные данные в конце 2000-х годов, другие исследовательские группы только начинали собирать воедино крупицы уже известных ему данных: это наводило на тревожную мысль, что после стольких лет кто-то еще может прийти к похожим выводам, прежде чем Мороз сам сможет опубликовать свои исследования.

Во-первых, опубликованное в 2008 году в Nature исследование поставило под вопрос базовую структуру эволюционного древа, подорвав давнее предположение о том, что губки были его первой, самой примитивной ветвью. Ученые сравнивали последовательности ДНК из 150 генов, чтобы восстановить эволюционные отношения 77 различных видов животных, включая два вида гребневиков. В статье впервые публично предположили, что замысловатые гребневики — но не простые губки — фактически могут быть самой ранней ветвью. По словам биолога из Института морских исследований при океанариуме Монтерей Бэй Стивена Хэддока, одного из авторов работы, одно лишь предложение об этом создало ураган в научном сообществе.

В декабре 2013 года другая команда исследователей опубликовала первый в мире геном гребневика — вида Mnemiopsis leidyi, отличающегося от того, который подробно изучал Мороз. В статье, опубликованной в Science, также сделан вывод, что именно гребневики, а не губки, были эволюционной ветвью, наиболее близкой к истоку происхождения всех животных.

На протяжении нескольких следующих месяцев укоренившееся убеждение о том, что губки были самыми ранними животными, продолжало трещать по швам. В январе 2014 года Салли Лейс из Университета Альберта в Эдмонтоне, одна из ведущих мировых биологов, исследующих губки, поставила под вопрос 150-летнее утверждение о том, что губки были лишь колониальной версией одноклеточных организмов, которые считаются предками всех животных. Подробные исследования показали, что губка и протисты, называемые хоанофлагеллатами, использовали другой набор генов и белков для создания похожих структур. Поэтому губки не могли развиться от чего-либо, напоминающего хоанофлагеллатов. Их сходство под микроскопом было еще одним обманчивым примером конвергентной эволюции: два несвязанных организма, вырабатывающих в ходе эволюции подобные структуры для выполнения подобных функций, но с использованием разных генов в качестве основы.

Читать далее.