W poprzednim odcinku opisałem podstawy działania układu nerwowego oraz dwa modele stworzone pod koniec XIX wieku. Camillo Golgi zaproponował model retikularny, który zakładał istnienie syncytium, czyli zespólni, obejmującego wszystkie neurony danego organizmu. Syncytium to wiele komórek połączonych z sobą. Santiago Ramón y Cajal uważał, że neurony nie są bezpośrednio połączone, stykają się za pośrednictwem synaps, a model ten został nazwany neuronowym. I to on właśnie on został uznany za słuszny, bo u wszystkich badanych zwierząt znajdowano jedynie neurony połączone synapsami.

Do gry wchodzą żebropławy

Żebropławy (Ctenophora) to dwuwarstwowe zwierzęta bezkręgowe. Żyją w morzach, znanych jest ok. 100 gatunków. Mają ciało o symetrii dwupromienistej i wydłużonym lub jajowatym kształcie o rozmiarach od jednego mm do 1,5 m. Układ pokarmowy składa się z otworu gębowego, gardzieli, żołądka, kanałów i otworu odbytowego. Przeważnie są bezbarwne, ale niektóre gatunki mogą mieć czerwony lub pomarańczowy kolor. Są drapieżnikami, łapią zdobycz za pomocą koloblastów, czyli komórek klejących. Używają orzęsionych płytek grzebieniowych (comb plates, ctenes)  do poruszania się. Są hermafrodytami i potrafią się bardzo szybko rozmnażać (Ryc. 1).

Żebropławy mogą stanowić problem ekonomiczny. Rodzimy dla zachodniego Atlantyku żebropław Mnemiopsis leidyi (7-12 cm długości) został zawleczony z wodą balastową statków do Morza Czarnego, gdzie stał się dominującym (90%) gatunkiem zooplanktonu. W krótkim czasie wyjadł pozostałe gatunki zooplanktonu, co spowodowało drastyczny spadek pogłowia ryb, m.in. śledzi, szprotów i sardeli. Straty szacowano na 400-500 mln dolarów. Sytuacja poprawiła się nieco po introdukcji śródziemnomorskiego drapieżnego żebropława Beroe ovata, który włączył Mnemiopsis leidyi do swojej diety. Ale M. leidyi jest ciągle obecny w Morzu Czarnym, podobnie jak w Bałtyku, gdzie podejrzewa się go o wyjadanie ikry dorsza i szprota.

Ryc. 1. Żebropławy (Ctenophora). 1. Haeckelia rubra; 2. Haeckelia rubra; 3. Hormiphora foliosa; 4. Callianira bialata; 5. Tinerfe cyanea; 6.  Lampetia pancerina. Źródło: Ernst Haeckel – Kunstformen der Natur (1904). Domena publiczna.

Pięć grup królestwa zwierząt

Wszyscy znamy przedstawicieli królestwa zwierząt, takich jak bezkręgowce (np. mięczaki, płazińce i stawonogi) oraz kręgowce: ryby, płazy, gady, ptaki i ssaki. Należą one do Bilateria, czyli zwierząt dwubocznie symetrycznych. Ale oprócz Bilateria, w królestwie zwierząt (Animalia) istnieją jeszcze 4 grupy: wspomniane Ctenophora (żebropławy), Porifera (gąbki), Placozoa (płaskowce) i Cnidaria (parzydełkowce). Wydaje się, że żebropławy stanowią grupę siostrzaną wobec wszystkich innych zwierząt. Znaczy to, że żebropławy i inne zwierzęta powstały z jednej linii ewolucyjnej w wyniku jej rozdzielenia. Współczesne analizy filogenetyczne sugerują, że rozdzielenie to miało miejsce ok. 700-800 milionów lat temu.

Żebropławy, gąbki, płaskowce, parzydełkowce i zwierzęta dwubocznie symetryczne

O żebropławach już napisałem. A co wiemy o pozostałych grupach zwierząt?

Gąbki to zwierzęta wodne, przeważnie osiadłe, w większości zamieszkujące morza. Mogą mieć od 2 mm do 2 m długości. Żywią się drobinkami pokarmowymi. Znanych jest ok. 9000 gatunków. Nie mają neuronów w klasycznym rozumieniu, ale niektóre komórki reagują na neuropeptydy. Nie mają też mięśni prążkowanych, ale coś podobnego do mięśni gładkich. Niektóre gąbki (np. Hexactinellida) tworzą w obrębie kolonii/osobnika jedno wielkie syncytium, w którym mogą migrować jądra komórkowe i rozchodzą się sygnały elektryczne (choć gąbki nie mają wyspecjalizowanych komórek nerwowych).

Płaskowce to małe zwierzęta morskie. Nie są większe niż 0,5 mm. Żywią się martwą materią organiczną. Znane są tylko trzy gatunki. Nie mają mięśni ani neuronów, ale podobnie jak gąbki, mają komórki reagujące na neuropeptydy. Można powiedzieć, że zachowują się jak rój komórek.

Parzydełkowce to wodne zwierzęta tkankowe o promienistej symetrii ciała. Mogą mieć od kilku mm do 2 m. Odżywiają się innymi zwierzętami. Znanych jest ponad 9000 gatunków. Można je podzielić na 4 grupy: ukwiały, koralowce, meduzy i stułbiopławy. Kiedyś uważano, że są blisko spokrewnione z żebropławami, ale filgenomika wykazała, że tak nie jest.

Zwierzęta dwubocznie symetryczne to większość znanych nam gatunków zwierząt, takich jak bezkręgowce: mięczaki, płazińce i stawonogi, oraz kręgowce: ryby, płazy, gady, ptaki i ssaki (Ryc. 2).

Ryc. 2. Drzewo filogenetyczne zwierząt. Żebropławy, parzydełkowce i zwierzęta dwubocznie symetryczne mają neurony i mięśnie. Gąbki i płaskowce ich nie mają.

Neurony u zwierząt

Układ nerwowy u żebropławów został opisany po raz pierwszy przez Richarda Hertwiga w r. 1880. Wiadomo też, że ich najbliżsi krewni: gąbki i płaskowce nie mają układów nerwowych. U gąbek występują jedynie pojedyncze komórki o charakterystyce podobnej do neuronów, ale raczej nie można ich nazwać neuronami i nie tworzą one sieci neuronowych. Tak więc układ nerwowy u żebropławów stanowił zagadkę, skoro inne reliktowe formy zwierząt (gąbki i płaskowce) układu nerwowego nie mają.

Wszystko zmieniło się w kwietniu 2023 r., kiedy zespół Pawła Burkhardta z Michael Sars Centre w Bergen (Norwegia) we współpracy z zespołem Maike Kittleman z Oxford Brooks University zastosowali skaningową mikroskopię elektronową serii cienkich skrawków (serial block face scanning electron microscopy) do badania układu nerwowego Mnemiopsis leidyi. To właśnie ten gatunek spowodował ogromne straty w pogłowiu ryb Morza Czarnego (Ryc. 3,4).

Ryc. 4. Żebropław Mnemiopsis leidyi. Autor: Bruno C. Vellutini. Licencja CC BY-SA 3.0.

W artykule opublikowanym w “Science” autorzy ci wykazali, że układ nerwowy żebropława składa się z połączonych z sobą bezpośrednio komórek nerwowych. Stanowi więc syncytium, podobne do tego, którego istnienie w opuszce węchowej psa w r. 1885 postulował Camillo Golgi (z tym, że u psa, podobnie jak u innych zwierząt dwubocznie symetrycznych, układ nerwowy nie tworzy syncytium). Ten charakterystyczny tylko dla żebropławów układ został nazwany subepithelial nerve net (SNN), czyli podnabłonkową siecią nerwową. Wszystkie komórki tej sieci są połączone, a budową przypominają sznur pereł. Jedyne synapsy, jakie znaleziono, łączą sieć z innymi komórkami. Te synapsy, nazwane triadami presynaptycznymi, składają się z pęcherzyków prawdopodobnie wypełnionych neuroprzekaźnikami. Zawierają też mitochondria i siateczkę śródplazmatyczną (Ryc. 5).

Ryc. 5. Sieć neuronowa u żebropława Mnemiopsis leidyi. Inset: triada presynaptyczna. Źródło: Burkhardt P, Trends in Neurosciences 2022, 45:878. Licencja CC BY-SA 4.0.

Triady presynaptyczne dostarczają bodźców do sieci neuronowych i mają budowę podobną do synaps znanych z innych organizmów. Nie wiadomo, jakie neuroprzekaźniki biorą udział w przesyłaniu sygnału, ale glutaminian i glicyna są silnymi kandydatami. Zespół Pawła Burkhardta odkrył też u żebropławów neuropeptydy, które są uwalnianie przez sieć neuronową do koloidalnego żelu między zewnętrzną i wewnętrzną warstwą ciała (nazywanego mezoglea).

Możemy więc powiedzieć, że modele: retikularny (Golgi) i neuronowy (Ramón y Cajal) nie wykluczają się wzajemnie. Wygląda na to, że żebropławy maja elementy układu neuronowego w postaci triad presynaptycznych, ale ich „główny” układ nerwowy składa się z siatki połączonych ze sobą komórek, tak jak postulował Golgi.

Badania z lat 90 ubiegłego wieku pokazują, że układ nerwowy żebropławów przewodzi bodźce stosunkowo wolno: przeciętna prędkość potencjału czynnościowego to 0,5 m/s. „Klasyczne” układy nerwowe, takie jak np. u kręgowców, przenoszą bodźce szybciej; w aksonach neuronów, które nie mają otoczki mielinowej, potencjały czynnościowe przemieszczają się z prędkością od 0,5 do 2 m/s. Jeżeli aksony mają otoczkę mielinową (składa się z białek i fosfolipidów), to prędkość może wynieść nawet 120 m/s; tak jest w przypadku neuronów przenoszących informacje o dotyku lub równowadze ciała. Żebropławy nie są więc mistrzami refleksu, ale radzą sobie całkiem nieźle. Ale molekularne podstawy mechanizmu działania tego układu są na razie nieznane.

Jak powstały neurony?

Podstawą przekazywania sygnału przez neurony jest wzajemna komunikacja między komórkami. Komórki porozumiewają się za pomocą neuroprzekaźników, czyli małych cząsteczek takich jak glicyna lub glutaminian, ale także za pomocą łatwo dyfundujących gazów, takich jak tlenek azotu. Prawdopodobnie najstarszym neuroprzekaźnikiem był glutaminian. Ale jak powstały komórki zdolne do uwalniania i odbierania neuroprzekaźników? Wiąże się to z powstaniem organizmów wielokomórkowych.

Pod koniec XIX wieku Ernest Haeckel sformułował teorię powstania organizmów wielokomórkowych: pierwszym krokiem było przejście od pustej w środku kuli komórek do organizmu składającego się z dwóch warstw komórek. Komórki te następnie różnicowały się do endo- i ektodermy, wytwarzając z czasem wyspecjalizowane „komórki czuciowe” zdolne do odbierania i wysyłania sygnału. Produkowane przez nie cząsteczki (prawdopodobnie neuropeptydy) wiązały się do receptorów w podobnych komórkach. Taki system komunikowania się „na odległość” był jednak niewydajny, dlatego z czasem te „komórki czuciowe” utworzyły zwarte sieci, komunikujące się za pomocą synaps (Ryc. 6).

Ryc. 6. A. Różnicowanie się komórek u przodka wszystkich zwierząt: powstanie prekursorów współczesnych komórek nerwowych („komórek czuciowych”, czyli sensory cells) oraz innych, nie-neuronowych komórek.

B: Powstanie pra-sieci neuronowej (na razie zdalnej): wyspecjalizowane komórki (zaznaczone na niebiesko i pomarańczowo) produkują neuropeptydy, które wiązały się do receptorów w podobnych komórkach.

C: W miarę jak liczba komórek wzrastała, komórki zaczęły się komunikować bezpośrednio. Był to początek sieci neuronowej.

Źródło: Colgren J, Burkhardt P. Essays in Biochem. 2022, 66, 781-795. Licencja CC BY-SA 4.0.

Od wspólnego przodka do dwóch rodzajów układów nerwowych

Jeżeli założymy, że ostatni wspólny przodek wszystkich zwierząt (last common ancestor of all extant animal lineages, LCAA) miał już takie prekursorowe komórki, to co działo się dalej? Do niedawna uważano, że powstał z nich „klasyczny” układ nerwowy, taki jak u parzydełkowców i zwierząt dwubocznie symetrycznych. U gąbek i płaskowców układ ten nie powstał z niewyjaśnionych przyczyn. Tak więc odkrycie zespołu Pawła Burkhardta zmienia nasze spojrzenie na całą ewolucję układu nerwowego: prawdopodobnie wyewoluował on niezależnie dwa razy. U przodków żebropławów komórki prekursorowe dały początek układowi retikularnemu. U przodków parzydełkowców i zwierząt dwubocznie symetrycznych powstał układ nerwowy oparty na synapsach (Ryc. 7).

Ryc. 7. Aktualna hipoteza powstania układów nerwowych u żebropławów, parzydełkowców  i zwierząt dwubocznie symetrycznych. Początkiem były komórki ostatniego wspólnego przodka wszystkich zwierząt (last common ancestor of all extant animal lineages, LCAA).  U gąbek i płaskowców układ nerwowy nie powstał. Według: Colgren J, Burkhardt P. Essays in Biochem. 2022, 66, 781-795. Licencja CC BY-SA 4.0.

Drapieżnictwo jako praprzyczyna powstania układu nerwowego

Jeszcze ok. 550 milionów lat temu większość zwierząt filtrowała wodę albo żywiła się bakteriami. Było to już po rozdzieleniu się zwierząt na pięć głównych linii. Wtedy też  zaczęła rosnąć liczba genów kodujących białka związane z synapsami. Ten wzrost miał miejsce u żebropławów, parzydełkowców i zwierząt dwubocznie symetrycznych, ale nie u gąbek i płaskowców. Wydaje się, że miało to związek z rozwojem drapieżnictwa jako sposobu odżywiania się. Drapieżnictwo polega na odżywianiu się innymi zwierzętami i w  odróżnieniu od pasożytnictwa prowadzi do śmierci ofiary. Wymaga jednak sprawnego układu nerwowego, i można postawić hipotezę, że to właśnie drapieżnictwo wymusiło na przodkach parzydełkowców i zwierząt dwubocznie symetrycznych rozwój układu nerwowego. U kogo układ nerwowy nie działał szybko, ten zostawał zjedzony. Kto nie dość szybko gonił inne zwierzęta, umierał z głodu.

Przodkowie gąbek i płaskowców nie brali udziału w tym wyścigu, bo organizmy te odżywiają się drobną materią organiczną i układ nerwowy nie był im (w zasadzie) potrzebny. Może przydałby się do ucieczki przed drapieżnikami, ale to dość kosztowna inwestycja (o czym niżej).

Żebropławy to osobna historia. Są wprawdzie drapieżnikami, ale zdobycz chwytają bez specjalnego wysiłku, posługując się koloblastami. Co prawda niektóre potrafią łapać małe mięczaki dość zręcznie, ale nie potrzeba do tego złożonego układu nerwowego.

Energia to klucz do czucia i myślenia

Układ nerwowy jest bardzo energochłonny (to znaczy, że zużywa dużo ATP). W przeliczeniu na jednostkę masy potrzebuje ok. 10 razy więcej ATP niż inne układy. Nasz mózg stanowi tylko 2% masy ciała, ale zużywa 20% energii. Komórki nerwowe odżywiają się prawie wyłącznie glukozą, a glukoza nie jest łatwo dostępnym cukrem (a w każdym razie kiedyś nie była). U człowieka spadek stężenia glukozy o 50% grozi poważnymi konsekwencjami neurologicznymi.

Układ nerwowy ma więc liczne zalety i jedną wadę, a jest nią jego koszt energetyczny. Można powiedzieć, że jest cenną (w sensie dosłownym) zdobyczą ewolucji. Płacimy za tę zdobycz jedząc więcej, niż jedlibyśmy mając małe mózgi i układy nerwowe o skromniejszych rozmiarach.

A który element układu nerwowego zużywa najwięcej energii? Przesyłanie sygnału w synapsach, czyli synaptyczny transport neuroprzekaźników. Im więcej synaps, tym większe zapotrzebowanie na ATP. Nasz mózg zawiera ok. 10¹¹ neuronów i 10¹⁴ synaps. Dla porównania, liczba gwiazd w naszej Galaktyce to ok. 4 x 10¹¹. Daje to wyobrażenie o skali naszego układu nerwowego i o jego zapotrzebowaniu na energię.

Skoro więc transport synaptyczny to główny konsument energii w „klasycznych” układach nerwowych, to retikularny układ nerwowy żebropławów wydaje się mieć liczne zalety. Zawiera mało synaps, więc jest energooszczędny. Co prawda jego sprawność (mierzona prędkością) jest dużo niższa niż sprawność „klasycznego” układu, ale może w sumie wszystko się żebropławom opłaca? Może energię zaoszczędzoną na układzie nerwowym “klasy ekonomicznej” mogą wydatkować na inne cele, np. bardziej wydajny sposób rozmnażania się?

Pytania na przyszłość

Odkrycie przez zespół Pawła Burkhardta nowego typu układu nerwowego wiąże się z licznymi pytaniami. Jak działa taki układ? Czy u dużych żebropławów (a mogą mieć i 1,5 m długości) jest odpowiednio większy i bardziej złożony? Czy z takiego układu może powstać sieć dostatecznie duża, żeby mogły mieć miejsce wyższe czynności mózgowe, takie jak np. zapamiętywanie? I czy mógłby powstać mózg o budowie retikularnej? Na to pytanie mogą odpowiedzieć tylko przyszłe badania.

Podziękowanie

Dziękuję Łukaszowi Sobali i Piotrowi Gąsiorowskiemu za przeczytanie tekstu i cenne uwagi.

Literatura dodatkowa

Żebropławy i układ nerwowy

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166223622001801?via%3Dihub

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5645

https://portlandpress.com/essaysbiochem/article/66/6/781/231915/The-premetazoan-ancestry-of-the-synaptic-toolkit

Neurony bez synaps

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0542

Neuropeptydy u żebropławów

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982221012458?via%3Dihub

Drapieżnictwo i układ nerwowy

https://www.karger.com/Article/Fulltext/368177

Energetyka synaps

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9027