A felépítés logikája gyakorlatilag ugyanaz és az érzékelés alapegysége sem különbözik nagyon. Az emlősök szeme és egy tintahalszem közt felfedezhető hasonlóság első pillantásra egészen lenyűgözőnek tűnhet, hiszen nemcsak mindkét esetben ún. "kamera" szemről van szó (ahol a fény egy lencsén keresztül jutva vetül a fényérzékeny sejtekre), de mint azt a jobboldali ábra mutatja, a fénydetektálást végző molekula alakja is kísértetiesen hasonló (a kék szín egy szarvasmarha opszin molekulájának tér szerkezetét jelöli, a barna pedig a nemrég publikált tintahal opszin fehérjeszerkezetét). Sőt, lenyűgöző módon, a szemfejlődést elindító gének is gyakorlatilag ugyanazok.

Mielőtt azonban egyáltalán komolyabban megfogalmazódna bennünk, hogy netán mindez egy égi fiókban porosodó tervrajz létét igazolná, nem árt egy második pillantást is vetnünk vizsgálataink tárgyára, hogy feltűnjön a köztük levő (számos) eltérés is.

Mindenekelőtt, az emlős retinával ellentétben, a tintahalak esetében a fénynek nem kell átverekednie magát ereken és idegsejtek sűrű sorain, hogy a fényérzékeny fotoreceptorokhoz jusson, hanem közvetlenül azokra vetül, mert a puhatestűek retinájában ezek helyezkednek el "legfelül" (már ha a "fent" ez esetben a lencséhez közelt jelent). Persze, nemcsak a receptorok helyzete, de már alakjuk is jelentősen eltérő, hiába használja minkét csoport az opszin molekulákat a fény érzékeléséhez. Míg az egerek, emberek és tsaik szemében ún. "ciliáris" fotoreceptorok vannak (a pálcika- és csapsejtek), ahol az opszinmolekulák a sejtek ostorának egy különleges módosulatán találhatók, addig a tintahalakban "rhabdomerikus" sejtekkel találkozunk. Itt az ostor nem módosult, az opszinok pedig a sejtek felszínén levő mikrobolyhokban sorakoznak (itt egy részletesebb összehasonlítás).

Ezek után talán már nem meglepő, ha azt is elárulom, hogy a két szemtípus is nagyon különbőző módon jön létre: míg a gerincesek szeme az idegrendszer, pontosabban a velőcső egy kitüremkedéséből alakul ki (kivéve a lencsét és a szaruhártyát), addig a fejlábúak esetében a teljes struktúra egy felszíni szövetvastagodásból fog kialakulni.

És bizony a működésben is alapvető különbségek vannak: a gerinces szem fotoreceptorai ugyanis sötétben aktívak és fényben "hallgatnak", a tintahal receptorok pedig vice versa. A különbség oka, azokban a molekulákban keresendő, amelyeknek az opszin-molekulák átadják az információt. Ezek ugyan mindkét esetben az ún. "G-fehérjék" osztályába kapcsolódnak, de a hasonlóság itt meg is áll: míg a gerinceseknél a folyamat végeredménye a sejt falában levő (előzőleg aktív) ioncsatornák bezáródása lesz (ezért "hallgat" el, az addig aktív sejt), a tintahalaknál épp ellenkezőlég, megnyílnak az (előzőleg inaktív) ioncsatornák, a sejt pedig tüzelni kezd. 

Magyarán, minden hasonlóságuk ellenére, a két szemtípus közt nincs mélyebb közeli rokonság; létük a konvergens evolúció klasszikus példája. S hogy akkor mire véljük az elején megemlített fejlődésgenetikai hasonlóságokat? Nos, a homológ gének jelenléte mindössze arra bizonyíték, hogy a réges-régen élt közös ős feltehetően már rendelkezett egy fényérzékeny szervvel*, amelyből aztán év százmilliók során, nagyon különböző átmeneteken keresztül végül valami hasonló alakult ki. Hasonló, de nagyon nem ugyanaz.

* A szakmabeli kánon szerint ebben az ősi szervezetben valamilyen formában minkét fotoreceptortípus – mind a ciliáris, mind a rhabdomerikus – jelen volt, de az evolúciós fa különböző ágain a szelekció és végül különböző receptorokat juttatott domináns helyzetbe a fényérzékeny szervekben. Ezt látszik igazolni, hogy egyes gerinctelen fajokban még mindkét sejttípus fellelhető, ill., hogy bennünk emlősökben is megtalálható egy, a rhabdomerikus fotoreceptorokra jellemző opszin molekula(-szerűség). Ez a melanopszin és a bioritmus kialakításáért felelős.        

Murakami M, Kouyama T (2008) Crystal structure of squid rhodopsin. Nature 453: 363-369.

Sean Carroll napjaink legbefolyásosabb biológusainak egyike, aki nemcsak kísérletei révén vívott ki tudományos elismerést magának, de ismeretterjesztő könyvei emberek ezrei számára tették érthetővé/érthetőbbé, hogy hol is áll ma a molekuláris fejlődésgenetika, mit is takar az "evodevo" kifejezés. (Mondhatnánk, hogy ő a tudomány igazi Rúzsa Magdija, de inkább nem mondjuk, mert ez egy borzalmasan erőltetett analógia.)

Most épp a Scientific American aktuális számában jelent meg egy remek cikke, ahol néhány volt tanítványával próbálja mindezt zanzásítva elmagyarázni. 

(A cikkben emlegetett kísérletek/megfigyelések többségéről már írtunk korábban a blogban, lásd itt, itt és itt.) 

Ha igazán elegáns struktúrát keresünk egy gerinces élőlényben, a retina minden valószínűség szerint dobogós helyezést fog elérni.

A fényérzékeny fotoreceptorokból és "kapcsolt részeikből" kialakuló hálózat egyszerű szövettani metszetén (emlősök esetében) tíz jól elkülönülő réteget fedezhetünk fel, aszerint, hogy adott rétegben az egyes sejtek magjai, vagy pedig nyúlványai helyezkednek el. Jobban megpiszkálva látható az is, hogy a tíz réteg igazából laza definícióban öt sejttípust rejt: a fotoreceptorokat (amelyek persze lehetnek csapok (C) vagy pálcikák(R)), az ingerületet a retinából az agyba szállító ganglionsejteket (G), az előbbi kettőt összekötő ún. bipoláris sejteket (ezeket részletesebb leírásokban két csoportra osztják aszerint, hogy csapokhoz vagy pálcikákhoz kapcsolódnak (CB ill RB)), illetve az említett három sejttípus kapcsolatát moduláló horizontális- (H), valamint amacrin (A) sejteket.

A struktúra szépsége persze nem feledteti a működésében rejlő kontraintuitivitást, hiszen a fotoreceptorok a retina legmélyén fekszenek, így a fotonoknak át kell verekedniük magukat a felettük található további sejttípusokon, na meg a szem belső érhálózatán is (hogy ez miért is alakulhatott így, arról lásd a szemfejlődéses posztot). És mintha ez nem lenne elég, az egyes fotoreceptor" sejtek nem akkor tüzelnek, amikor fény éri őket, hanem épp fordítva: a csapok és pálcikák folyamatosan aktív állapotban vannak, és fény hatására "lefagynak" (ezt hívjuk tudományosabban hiperpolarizációnak), aminek következtében ilyenkor kevesebb ingerületátvivő anyagot bocsátanak ki. Mivel hamarosan igen lényegessé válik, még annyit bonyolítanék a dolgon, hogy a csapsejtek keltette furcsa ingerület- kakofóniából aztán a bipoláris sejtek hámozzák ki a lényeget két alapvető mechanizmus segítségével, ui. a csap-bipoláris sejtek további két nagy osztályba sorolhatók, aszerint, hogy akkor továbbítanak információt, ha a csapsejteket fény éri (ún. ON-bipoláris sejtek), vagy akkor, ha a csapsejtre eső fény intenzitása csökken (OFF-bipoláris sejtek).

Persze kontraintuitivitás ide vagy oda, a rendszer – mint azt a poszt olvasása bizonyítja – egész tűrhetően működik legtöbbünkben, és bármily obskurus is a fotoreceptor-sejtek viselkedése, elvesztésük megvakuláshoz vezet. Az ún. retinális degeneráció sok ezer ember életét keseríti meg, így nem meglepő, hogy sokan igyekeznek ellene valami ellenszert kiagyalni. 

Mivel a fotoreceptor-sejtek elpusztulása egyúttal a fényérzékeny opszinmolekulák elvesztését is jelenti, a teljes retina-hálózat lefagy, hiszen a maradék sejtek, bármennyire is egészségesek is, képtelenek lesznek a fotonokat valamilyen sejtszintű kémiai jellé alakítani. Hacsak…. nem segítünk be egy kicsit. És hogy ez nem teljesen elszállt ötlet, azt bizonyítja Roska Botond csoportjának napokban megjelent cikke.

Nem meglepő módon természetesen nem mindegy, hogy a retina melyik másik sejtjét tesszük "fényérzékennyé"; a folyamatosan tüzelő ON- és OFF-bipoláris, illetve amacrin és horizontális sejtek keltette káoszból látókéreg legyen a talpán, amelyik kihámozza a lényeget. Roskáék épp ezért azt használták ki, hogy néhány gén specifikusan csak az ON-bipoláris sejtekben fejeződik ki. Egy ilyen génnek, a Grm6-nak a szabályozó régióját fűzték egy zöldalgákból izolált, fényre aktiválódó ioncsatorna kódoló szekvenciájához, és az így létrehozott DNS szakaszt juttatták retinális degenerációban szenvedő egerek szemébe. Így ha a szemüket fény érte, az ON-bipolárisok (amelyeket normális esetben épp ilyenkor aktivizálna a velük kapcsolatban levő csapsejt) tüzelni kezdtek. A rendszer olyannyira működőképesnek bizonyult, hogy hat hónappal később számos egér még mindig képes volt fényérzékelésre. Ne kristálytiszta, "ötmegapixeles" képre tessék gondolni, inkább csak egyszerű sötétség-világosság megkülönböztetésre. De ez akkor is végtelenszer több információ, mint amit ezeknek az egereknek a retinája egyébként generálna…     

(Az egér retinát ábrázoló illusztráció Rachel Wong honlapjáról származik.)

Lagali PS, Balya D, Awatramani GB, Münch TA, Kim DS, wt al. (2008) Light-activated channels targeted to ON bipolar cells restore visual function in retinal degeneration. Nat Neurosci doi:10.1038/nn.2117

Nehéz ma már átélni a döbbenetet, amelyet a 18. század végén az európai felfedezők érezhettek, mikor is először szembesültek a kacsacsőrű emlőssel. Nyilván az sem könnyített helyzetükön, hogy Angliában sokan egyszerű szélhámosoknak tekintették őket, akik koruk "olajfaló" hoaxában mesterkednek – hiszen ki gondolhatná komolyan, hogy kacsa csőrrel és hártyás lábbal ellátott emlősök valóban léteznek. Nem ez lett volna az első eset, hasonló próbálkozásokra, így aztán a skót anatómus, Robert Knox gyanakvása igazán érthetőnek tűnik: "ennek a különleges állatnak az első példányai […] olyan hajókon keresztül jutottak Angliába, amelyek előzőleg az Indiai tenger vizeit szelték, s ez a tény önmagában is gyanakvást kellene keltsen a természettudósban, aki tisztában van azokkal a praktikákkal, amelyekkel tehetséges kínaiak verték át gyakorta a kalandvágyó európaiakat."

A különös lény azonban csak nem kart eltűnni, újabb és újabb felfedezők és kutatók számoltak be róla, míg aztán végül kétségtelenné vált, hogy a kacsacsőrű emlős valóban létezik. Különcsége miatt természetesen élénk érdeklődésre tartott számot, aminek azonban az élőhelyeinek messzisége szabott igencsak szűkös határt. Így történhetett, hogy a felfedezéstől számítva majdnem száz évnek kellett eltelnie, hogy egyértelművé váljon, az Ornithorhyncus anatinus (amint latinul végül elnevezték), tojással szaporodik.

Az evolúciós elmélet térnyerésével az is nyilvánvalóvá vált, hogy a viszonylag kisszámú, tojással szaporodó, kloakás emlős faj egyfajta "élő kövületnek" is tekinthető, hiszen az emlősök evolúciójának egy olyan lépését dokumentálják, amikor az emlők és a tejtermelés kialakult már, de a méhlepény még váratott magára. Persze ez nem azt jelenti, hogy a kacsacsőrűek (ill. más kloakások) felett megállt az idő; továbbhaladtak ők is saját evolúciós ösvényükön, magyarán a maguk módján ők is sokat változtak. Ez utóbbiról tanúskodik a napokban elkészült genomszekvenciájuk is.

A száraz tények mellett (az 52 kromoszómából álló genom durván 18,000 gént tartalmaz, és kb. fele ismétlődő szekvenciákból áll), természetesen ott figyelnek azok a nyalánkságok is, amelyek egyenként is külön posztokat érnek. (Pontosabban értek, hiszen sokról – pl. sajátos opszin génjeikről, vagy a szikfehérjéikről – már írtam.) Az egyik, az az állatvilágban egészen egzotikus genetikai nemmeghatározási mechanizmus, amely nem kevesebb mint öt (!!) pár kromoszómát igényel. Vagy ott van, az emlősök közül szintén csak kloakásokra jellemző elektrorecepció (a vízben élő kacsacsőrű emlős szorosan zárt szemekkel, füllel és orral vadászik, csak erre a különleges érzékére hagyatkozva), illetve a hím kacsacsőrűek hátsó lábán levő méregmirigye.

Mivel összességében is tucatnyinál kevesebb "mérgező" emlősről tudunk, ez a bájos kis vonás önmagában is vonzaná a kutatói tekinteteket. És nem is hiába: mint kiderült, a kacsacsőrű emlős és a különböző hüllő fajok méreganyagai, a konvergens evolúció eklatáns példájaként, azonos tőről fakadnak. Mindkét esetben, az egyébként az immunrendszerben fontos, beta-defensin gének duplikációjából eredeztethetőek a későbbi toxikus anyagok, bár hangsúlyozandó (mint azt a mellékelt ábra is tükrözi), a beta-defensinek duplikációja nem feltétlenül jelenti méreganyagok megjelenését. Az alaptézisen azonban ez sem változtat: még az olyan előzmény nélkülinek és drámainak tűnő evolúciós újítások, mint a méregkiválasztás, sem a semmiből keletkeznek, illetve egy jól alkalmazható receptre (kisebb-nagyobb változtatásokkal) néha többször is "rálel" a természetes szelekció. 

Warren WC, Hillier LW, Marshall Graves JA, Birney E, Ponting CP, et al. (2008) Genome analysis of the platypus reveals unique signatures of evolution. Nature 453: 175-183.
Hall BK (1999) The Paradoxical Platypus BioScience 49(3): 211-218.

"A kétéltűek az első szárazföldi gerincesek, tüdővel lélegeznek", olvashatjuk a középiskolás kisokosokban – ami igaz is többségükre, de mint minden jó szabály alól, itt is vannak kivételek.

Persze az élettani korlátok jól behatárolják, hogy mely fajok rendelkezhetnek eféle különleges jelleggel: értelemszerűen, olyanok, ahol az oxigénbevitel valamilyen más módon megoldott/megoldható. Mivel a kétéltűek a bőrükön át is képesek a gázcserére, ez számukra önmagában még nem ördöngősség, de csak akkor, ha a szóbanforgó faj folyamatosan magas oxigéntartalmú, nedves környezetben leledzik – magyarán pl. hideg vízben.

Jópár szalamandra faj választotta ezt az utat, de tüdő mentes békát még nem ismert a tudomány – eddig. Most azonban Borneón épp egy ilyen kis különcre akadtak. A Barbourula kalimantaensis hideg és gyorsfolyású folyók aljzatán él és mint a mellékelt ábra is mutatja, ott ahol más fajok szájában (bal oldalt) a légcső nyílását találhatnánk, a B. kalimantanensis szája (jobb oldalt) sima felületével tűnik fel. És valóban, a boncolás, illetve szövettani festések sem leltek tüdőre emlékeztető szervet.

Bickford D, Iskandar D, Barlian A. (2008) A lungless frog discovered on Borneo. Curr Biol 18(9): R374-375.

Bevallottan ignoráns ember révén, aki képes hónapokat leélni az ingyenes (pletyka)lapok böngészése nélkül, némi fáziskéséssel, csak most értesültem Stumpy, a négylábú kacsa létéről (extra lábainak elvesztése apropóján), noha hősünk, tavaly februári születése óta, kisebb celebritynek számít errefele.

És persze a négylábú szárnyast sújtó fejlődési rendellenesség pont olyan dolog, aminek a látványa megnöveli egy fejlődésbiológus pulzusát (lásd még Janus, a kétfejű teknős esetét is), arról nem is szólva, hogy mindig egy könnyed blogbejegyzés témája lehet.

A végtagok fejlődését korábban már elég hosszan taglaltam, így ezúttal egész röviden csak annyit emlékeztetőül, hogy a gerinces állatok végtagjai, fejlődésük során a testfal két oldalán megjelenő két pár dudorból, ún. végtagbimbóból alakulnak ki.

Ezekben a végtagbimbókban már jelen vannak azok a molekuláris jelek is, amelyek biztosítják, hogy első végtagunkból kéz, hátsó végtagunkból láb legyen, illetve a hüvelyk- és kisujjunk ott alakuljon ki ahol. Olyannyira így van ez hogy ha a végtagbimbót elforgatjuk a fejlődés során, akkor egy fordított végtag fejlődik ki belőle.

Az első efajta kísérleteket még a múlt század elején végezték el, az embriológia első aranykorában szorgalmas kutatók, és a választott model állat, a kor divatjának (és a praktikus szempontoknak) megfelelően egy kétéltű, szalamandra faj volt.

A szorgalmas embrionális "cut-and-paste" kísérletek során ( a baloldali ábrán a végtagbimbót a kis kör jelöli, a D,V, ill. A, P betűk pedig az embrionális tengelyeket, amelyekről a már említett végtagfejlődéses posztban bővebben is írtam) persze előbb utóbb óhatatlanul is sor került arra, amikor a végtagbimbót egyszerűen kettészelték, "lám most mi lesz" felkiáltással. Az eredmény: egy végtag helyett kettő alakult ki.

Valami hasonló történhetett Stumpy-val is a tojásban. Pontosan talán sohasem azonosítható okok miatt, a hátsó végtagbimbói ketté váltak, így aztán két extra lábbal kászálódott ki a tojásból – épp az ellenkező jelű rendellenességet mutatva, mint a nemrég talált hatlábú oktopusz.

(A gerinces és puhatestű végtagbimbók persze inkább különböznek, mint hasonlítanak, így a fenti összehasonlítás elég nagyvonalú – de annak pont megfelel. ;-))

Harminchat évvel ezelőtt, a horvát Adria egy zsebkendőnyi kis szigete, Pod Mraru, sajátos kísérlet színhelyévé vált. A szomszédos, leheletnyit nagyobb, Pod Kopite szigetéről öt pár olasz faligyíkot (Podarcis sicula) telepítettek át, hogy megnézzék … mi is történik.

Egy-egy faj szigetekre szakadt populációi esetén nem ritka, hogy azok külalakja és/vagy szokásai drámai változásokon mennek át, hogy az adott (új) élőhely körülményeihez alkalmazkodjanak. A jelenség iskolapéldáját a galapagosi pintyek jelentik (na, mi más ;-)), és bár Darwin értelemszerűen nem lehetett tanúja, hogy miként jöttek létre az egyes pintyfajok a közös ősből, a genetikai vizsgálatok igazolták, hogy elgondolása az említett fajok keletkezéséről helyes volt. Sőt, az említett pintyek ma is megfigyelhető evolúciója azt is jelzi, hogy a fajkeletkezés mechanizmusa valóban a természetes szelekció tevékenységében keresendő.

Visszatérve a gyíkokra, talán nem meglepő, ha itt is drámai változásoknak lehetünk tanúi, bár alig 30 generációnyi idő telt el. Külsőleg legszembetűnőbb, hogy a Pod Mraru-n levő gyíkoknak nagyobb fejük lett, mint kopitei társaiknak, ami erőteljesebb harapást eredményez. A változás természetesen nem a véletlennek köszönhető, hanem sokkal inkább a gyíkok táplálkozási szokásaiban bekövetkezett változásnak. Míg az ősi populáció szinte kizárólag ízeltlábúakon él, az új szigetet meghódító faligyíkok (akik mellesleg ez idő alatt, a szigeten őshonos másik gyíkfajt teljesen kiszorították), évszaktól függően, menüjük 30-60 %-át növényi forrásból biztosítják. Az erősebb harapás pedig kifejezetten jól jön a nagy és kemény levelek feldolgozásában.

A táplálékforrás ilyen mértékű megváltozása a gyíkok szociális szokásait sem hagyták érintetlenül (a Pod Mraru-i gyíkokpopuláció hímei, őseikkel ellentétben már nem territoriálisak), de a legszembetűnőbb változás mégis a bélcsatorna anatómiájához kapcsolódik. Ez pedig nem más, mint egy, a vakbél falában megjelenő, speciális billentyű, amelynek fő feladata az emésztőrendszeren átmenő táplálék haladásának lelassítása. Ez utóbbira azért van szükség, mert az elfogyasztott növényi szövetek sok cellulózt tartalmaznak és ezt a molekulát sok ideig tart a bélrendszerben lakó mikroorganizmusoknak lebontani.   

Megjegyzendő, hogy az efajta billentyű a gyíkoknál ritka mint a fehér holló. Az összes pikkelyes hüllők mindössze 1 %-ban figyeltek meg hasonlót és ezek közt történetesen egyetlen más, Podarcis nemzetségbe tartozó faj sincs. Viszobt a néhány agáma és iguána, ill. Lacertidae családba tartozó gyíkfaj, amelyeknél hasonló anatómiai különlegességgel találkozhatunk, mind-mind növényevő. 

Már csak azt lenne jó megtudni, hogy az említett változások milyen genetikai okokra vezethetők vissza, hiszen a pintyek esetében is az efajta kutatások tették teljessé a történetet.

(Köszönet nyenyec kartácsnak a tippért; az faligyík képe pedig ehunnan van.)

Herrel A, Huyghe K, Vanhooydonck B, Backeljau T, Breugelmans K, Grbac I, Van Damme R, Irschick DJ (2008) Rapid large-scale evolutionary divergence in morphology and performance associated with exploitation of a different dietary resource. PNAS 105(12): 4792-4795.