Глядя на рыбу, очень ясно, на каком конце голова, а на каком хвост. Но с морской звездой, также известной как морская звезда, дело обстоит иначе. Пять одинаковых рук на протяжении веков озадачивали ученых. Многие биологи пытались понять, что представляет собой голова морской звезды, и теперь, возможно, впервые нашли наиболее вероятный ответ.

Международная группа исследователей использовала генетические и молекулярные инструменты для составления карты тела морских звезд, создав трехмерный атлас экспрессии их генов. Они обнаружили, что «голова» морской звезды находится не в одном месте. Вместо этого головоподобные области распределены, некоторые из них расположены в центре морской звезды, а также в центре каждой конечности ее тела.

Морские звезды, наряду с морскими ежами и песчаными долларами, принадлежат к группе животных, называемых иглокожими. У них уникальный пятикратно симметричный план тела, что означает, что их части тела расположены в пяти равных частях. Это отличается от их двусторонних предков, у которых есть левая и правая стороны, как это наблюдается у людей и многих других животных.

«Ответ гораздо сложнее, чем мы ожидали», — заявил в пресс-релизе Лоран Формери, ведущий автор нового исследования и постдокторант в лабораториях Стэнфордского университета и Калифорнийского университета. «Это просто странно, и, скорее всего, эволюция группы была еще более сложной».

Картографирование звезд

В ходе исследования ученые сравнили молекулярные маркеры морской звезды с другими вторичноротыми — более широкой группой животных, включающей иглокожих и двусторонних животных, таких как позвоночные. Поскольку у них общий предок, исследователи могут сравнить их развитие и узнать больше о том, как иглокожие развили свое уникальное строение тела.

Они использовали сочетание высокотехнологичных молекулярных и геномных методов, чтобы понять, где различные гены экспрессируются во время развития и роста морских звезд. Это включало томографию РНК, чтобы точно определить, где гены экспрессируются в тканях, и гибридизацию in situ — метод, который фокусируется на конкретной последовательности РНК в клетке.

С их помощью они создали трехмерную карту экспрессии генов морской звезды, чтобы определить, где конкретные гены экспрессируются на этапе развития. В частности, они картировали экспрессию генов, которые контролируют развитие эктодермы. Известно, что это характерно для рисунка спереди назад на телах других вторичноротых.

Они обнаружили, что этот узор связан с осью от средней линии к боковой оси рукавов морской звезды, при этом средняя линия руки представляет собой переднюю часть, а самые внешние боковые части больше похожи на заднюю часть. Кроме того, у вторичноротых имеется набор генов, экспрессируемых в эктодерме туловища, которая является «центральным телом» (в отличие от «головы»). Но у морских звезд многие из этих туловищных генов не экспрессируются в эктодерме.

«Когда мы сравнили экспрессию генов у морской звезды с другими группами животных, например, позвоночными, выяснилось, что важнейшая часть строения тела отсутствует. Гены, которые обычно участвуют в формировании рисунка туловища животного, не экспрессируются в эктодерме», — заявил в пресс-релизе автор исследования Джефф Томпсон.

Это позволяет предположить, что морские звезды и другие иглокожие могли развить свой пятисекционный план тела, потеряв туловищную часть своих двусторонних предков — поэтому морские звезды «в основном животные, похожие на голову». Это позволило бы иглокожим двигаться и питаться иначе, чем двусторонне-симметричные животные, что позволяет предположить, что их эволюция была гораздо более сложной, чем ожидалось.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.