Он был найден совершенно случайно в конце XIX века и перевернул представление ученых о происхождении животных. Уже более века биологи пытаются разгадать все тайны жизни этого маленького зверька.
У Франца Эйльхарда Шульце, немецкого зоолога, была лаборатория, полная красивых морских существ. В 1880-х годах он был одним из ведущих мировых экспертов по морским губкам. Он нашел много новых видов и заполнил аквариумы в Грацском университете Австрии этими простыми морскими животными. Они поражали своей экзотической формой и яркой окраской. Некоторые выглядели как цветочные вазы. Другие напоминали миниатюрные замки с заостренными башнями.
Но сегодня имя Шульце связано больше не с морскими губками, а с серым маленьком животным – не больше кунжутного семечка. Зоолог обнаружил его совершенно случайно: крохотный зверек «прятался» в одном из аквариумов. Ползая по внутренней части стекла, он обедал на зеленых водорослях, которые росли у стенок аквариума. Шульце назвал его Trichoplax adhaerens. В переводе с латыни – «волосатая липкая пластина». Примерно так он и выглядел.
Сегодня трихопласт является единственным представителем вида пластинчатых. И до сих пор он считается самым простым животным н Земле. У него нет рта, нет желудка, нет мышц, нет крови и нет вен. У него нет живота и спины. Он похож на плоский лист, который тоньше бумаги, – толщиной всего три клетки.
Голодная «присоска»
На первый взгляд, трихоплакс даже не похож на животное. Его плоское тело постоянно меняет форму по мере ее движения. Он скорее напоминает амебу, простейший одноклеточный организм. Но когда Шульце в 1883 году изучил трихоплакс под микроскопом, он увидел несколько подсказок, которые подтверждают, что Trichoplax действительно был животным.
На самом деле некоторые амебы даже больше, чем этот зверек. Но у амебы всего только одна клетка, а у трихоплакса их по меньшей мере 50 000. И хотя у этого животного нет желудка или сердца, его тело организовано таким образом, что клетки объединены в различные группы, которые выполняют разные задачи. Это «разделение труда» между типами клеток является отличительной чертой животных, объясняет Бернд Ширватер, зоолог из Института экологии животных и клеточной биологии в Ганновере (Германия). Он изучает пластинчатых в течение 25 лет.
Клетки на нижней стороне Trichoplax имеют крошечные волоски – реснички. Он движется, закручивая эти реснички, как пропеллеры, и останавливается, когда находит участок водорослей. Его плоское тело прилепляется к растению, как присоска. Некоторые специальные клетки на нижней стороне этой «присоски» выделяют химические вещества, которые разрушают водоросли. Другие клетки поглощают сахар и иные питательные вещества. Таким образом, вся нижняя сторона животного работает как желудок. И поскольку его желудок находится снаружи его тела, а не внутри, ему не нужен рот. Когда трихопласт находит водоросли, он просто садится на пищу и начинает переваривать ее.
Какие они – первые животные?
Берндт Ширватер полагает, что первые животные на Земле скорее всего были похожи на трихоплаксов. Когда появились эти животные, в океанах уже было много одноклеточных организмов. Как и Trichoplax, эти простейшие животные плавали, закручивая реснички. Некоторые из них даже собирались в колонии в виде шаров, цепочек или листьев, состоящих из тысяч ячеек. Многие одноклеточные, которые живут сегодня, также образуют колонии. Но они не подобны стаям или общинам животных. Это всего лишь скопления одинаковых одноклеточных организмов, которые живут в гармонии друг с другом.
Затем, 600-700 миллионов лет назад все изменилось. Одна группа древних простейших животных сформировала новый тип колонии, клетки начали меняться. Раньше они были абсолютно идентичны, но в конечном итоге превратились в два разных типа. Все клетки все еще содержали одну и ту же ДНК, у них были одни и те же гены. Но теперь одноклеточные начали общаться друг с другом: они выделяли химические вещества, которые служили сообщениями. Таким образом они говорили ячейкам в разных частях колонии делать разные вещи. Эти организмы могли быть первыми животными на Земле, отмечает немецкий зоолог.
Ученый также предполагает, что это первое животное должно было быть плоским листом, почти как трихопласт, – всего в две клетки толщиной. Клетки на нижней части тела позволяли ему ползти и переваривать пищу, а те, что располагались сверху, выполняли другие функции. Возможно, они защищали зверька от других простейших животных, которые намеревались съесть его.
Эта теория имеет вески основания. Нужно представить, как тогда выглядел океан. Неглубокие области морского дна были покрыты скользким ковром из одноклеточных микробов и водорослей. Первое животное заползало бы на этот «коврик» и переваривало бы микробы и водоросли своей нижней частью - как и Trichoplax.
Скорее всего, первое животное было не больше трихоплакса. Точный его размер назвать нельзя – его останки не сохранились. С течением времени похожие животные эволюционировали и «выросли». Ученые обнаружили окаменелости, которые выглядят как гигантские версии единственного вида пластинчатых.
Одна из этих «версий» – дикинсонии, которые существовали примерно 550-560 миллионов лет назад (представитель этого вида изображен на верхней иллюстрации). Особь достигала 1,2 метров в длину. Никто не знает, был ли этот организм связан с трихопластом, однако он двигался и питался так же: ползал вокруг еды, а затем «плюхался» на нее. У него тоже не было органов – таких как мозг или глаза, которые работают вместе для выполнения конкретной задачи. Но его тело было устроено сложнее, чем у пластинчатых. У него были передний и задний концы (спереди даже можно было выделить голову) и левая и правая стороны. Его плоское тело также было разделено на сегменты, как стеганое одеяло.
От простейшего тела – к более сложному
Легко представить, как такое простое животное могло превратиться в более сложное. Сначала было плоское тело, похожее на тарелку – как трихоплакс, чей живот занимал всю нижнюю часть тела. Края этой пластины постепенно удлинялись – и «тарелка» превратилась в «чашу», которая стоит вверх дном. Тело удлинялось, а открытая часть сужалась: «чаша» становилась «вазой». Отверстие в горлышке «вазы» – это рот. А внутри нее – желудок (на картинке он выделен красным цветом). Когда это примитивное животное переваривает свою пищу, оно просто «выплевывает» любые ненужные останки. Некоторые современные животные делают так же. Например медузы и морские анемоны.
В течение миллионов лет это тело в форме вазы растягивалось – и на каждом конце появились отверстия: одно для поглощения пищи, а другое для того, чтобы избавляться от отходов. Этот тип пищеварительной системы встречается у билатерий, двусторонне-симметричных животных, которые на эволюционной лестнице выше анемонов и медуз. К ним относятся все многоклеточные животные, у которых есть передне-задняя ось тела, левая и правая сторона: черви, улитки, насекомые, крабы, мыши, обезьяны и, конечно, люди.
Обманчивая простота
Идея Берндта Ширватера о том, что первое животное выглядело как Trichoplax, получила некоторую поддержку в 2008 году. Тогда он и еще 20 ученых опубликовали исследование, в котором они описали геном трихоплакса. Этот мелкий «зверек» внешне может выглядеть очень примитивным, но внутри он не так-то прост. Его ДНК указывают на довольно сложную внутреннюю организацию.
Фактически, Trichoplax имеет множество тех же генов, которые более сложные животные используют для формирования своих тел. Один из них помогает сформировать тело в форме «вазы», с желудком внутри. Другой «делит» тело на разные сегменты. Последний известен как Hox-подобный ген. И, как следует из этого названия, он похож на гены Hox, которые формируют, например, у насекомых три отдела: голову, грудь и брюшко. У людей гены Hox делят позвоночник на 33 отдельные косточки.
Ученые не ожидали увидеть так много этих генов у трихплакса. Это говорит о том, что у плоского примитивного животного уже было много генетических предпосылок к формированию более сложного тела. Он же поначалу «использовал» эти гены для других целей.
Прототип нервной системы
У трихоплакса оказалось 10 или 20 генов, которые у более сложных животных отвечают за создание нервных клеток. Это привлекло внимание биологов. В 2014 году ученые обнаружили, что у Trichoplax есть несколько клеток, которые действуют так же, как нервные. Эти так называемые железистые клетки рассредоточены по его нижней стороне. Они содержат специальный набор белков, известный как SNARE. Эти белки также обнаруживаются в нервных клетках многих более сложных животных: они находятся в синапсах, местах, где одна нервная клетка соединяется с другой. Работа белков заключается в том, чтобы «составить» химические сообщения, которые переходят от одной нервной клетки к другой.
Железистая клетка очень похожа на нервную клетку в синапсе. Она тоже заполнена небольшими пузырьками. И так же, как и в нервных клетках, эти пузырьки хранят своего рода химический реагент – нейропептид. В сентябре прошлого года ученые сообщили, что железистые клетки фактически контролируют поведение пластинчатого. Когда это животное ползет по участку водорослей, эти клетки как бы «нащупывают» водоросли – так животное понимает, что пришло время прекратить ползать и приступить к обеду. Нейропептиды, выпущенные из пузырьков железистых клеток, сообщают соседним клеткам, чтобы они перестали крутить реснички. Это ставит тормоза.
Химические реагенты также взаимодействуют с другими соседними «нервным» клетками. Они говорят своим соседям выбрасывать собственные нейропептиды. Таким образом, это сообщение «прекратить и есть» теперь распространяется от клетки к клетке по всему животному.
Каролин Смит, нейробиолог из Национального института здоровья в Бетесде (США, штат Мэриленд) видит у трихоплакса нервную систему, которая только начинает развиваться. В некотором смысле, это нервная система без нервных клеток: «нервные» белки еще не организованы в специализированные нервные клетки. «Мы думаем об этом как о прото-нервной системе, – говорит Смит. По мере того как ранние животные продолжали развиваться, эти клетки превратились в нейроны.
Каролин Смит и ее муж Томас Риз обнаружили в прото-нервной системе маленького существа клетки, которые содержат разновидность минерального кристалла. Этот кристалл всегда опускается на «дно» клетки, независимо от того, в каком положении находится животное: стоит он ровно, под наклоном или перевернут. Таким образом, трихоплакс использует эти клетки, чтобы «почувствовать», где находится верх, а где – низ.
Маленькое ядовитое существо
Однако трихоплакс не только открывает новые страницы в учении об эволюции. Ученые до сих пор продолжают делать удивительные открытия о том, как живет этот простейший «зверек». Оказалось, он может летать! Или что-то вроде того. К тому же, он смертельно ядовит. И способен часть своей жизни провести в совершенно другой форме – он умеет маскироваться, и эту его особенность ученые еще не изучили до конца.
На протяжении столетия после открытия Trichoplax люди думали, что он может только ползти. На самом деле он еще опытный пловец. И, возможно даже, что большую часть времени они именно плывут, а не ползут. К такому выводу пришла Вики Пирс, биолог, которая работала в Калифорнийском университете Санта-Круз (США). Еще в 1989 году она путешествовала с одного острова тихоокеанского на другой, где собирала образцы трихоплакса (они обитают в тропиках и субтропиках). Затем она часами наблюдала за ними под микроскопом. Однажды она заметила, как один плывет в воде, «как маленькая летающая тарелка». После этого она часто замечала, как животные плавают.
Это было не единственное странное открытие. В другой раз через микроскоп она наблюдала, как маленького зверька преследует улитка. Она была уверена, что увидит, как этого «парня» съели. Но как только улитка схватила трихоплакса, тот отскочил от нее так резко, как будто обжегся о горячую плиту.
«Они выглядят такими беззащитными, - рассказывает биолог. – Это ведь всего лишь небольшая капля ткани. И должно быть, они очень вкусные». Однако исследователь ни разу не увидела, чтобы голодный хищник съел хоть одного трихоплакса. Вместо этого охотник всегда, казалось, передумывал в последнюю секунду. «В них [трихоплаксах – прим. НР] должно быть что-то неприятное», - подумала Пирс.
Тайна была раскрыта спустя годы – в 2009-м. Тогда еще один ученый обнаружил, что трихоплакс может ужалить животное, которое пытается его съесть – и это может фактически парализовать противника. Для этого трихоплакс использует крошечные темные шарики, расположенные на его верхней части.
Раньше считалось, что эти шары были просто каплями жира. Но вместо жира в них содержится какой-то яд, который Trichoplax выпускает при атаке. Оказалось, у животного есть гены, которые очень похожи на гены яда некоторых ядовитых змей, таких как медноголовый щитомордник и западноафриканская габонская гадюка. Небольшая капля этого яда ничего не значит для большого человека. Но если вы крошечная улитка, это может испортить вам день.
Личная жизнь
Пирс считает, что ученые все еще много не знают о трихоплаксах и упускают из виду что-то очень важное – например, способ размножения. Обычно эти животные делятся пополам – и вместо одного получается два животных. По крайней мере, это то, что ученые видят, когда выращивают их в лаборатории. Время от времени Пирс замечала, как один из трихоплаксов разбился на десяток или более мелких кусочков. Каждый из них стал новым маленьким животным.
Более того, Trichoplax размножается также и половым путем, как большинство других животных. В данном случае сперма – это мужская репродуктивная клетка, которая оплодотворяет яйцеклетку другой особи. Ученые делают такое предложение, потому что им встречался трихоплакс, гены которого представляют собой смесь двух других особей. Это говорит о том, что у животного были мама и папа. У зверька также есть гены, которые участвуют в образовании спермы. Несмотря на доказательства половой жизни, ни одному ученому еще ни разу не удалось «застукать» трихоплаксов.
Открытым остается вопрос о том, есть ли у этих животных еще один жизненный этап, о котором никто не знает. Многие морские животные, такие как губки и кораллы, развиваются из крошечных личинок. Каждая личинка плавает, как маленький головастик, а потом приземляется на скалистое дно моря и превращается в губку или коралл – и в этой форме проживет всю оставшуюся жизнь.
У трихоплакса тоже может быть плавающая личиночная стадия развития. Тело личинки могло сильно отличаться от «липкой волосатой пластины», в которую она позднее превращается. Это также может помочь объяснить, почему у такого простого животного так много генов: формирование и рост личинки требует многих генетических «инструкций».
Возможно, в будущем ученые смогут найти точные ответы на все эти вопросы и раскрыть все тайны жизни первых животных на Земле.
[Иллюстрации и фото: Science News for Students]
