Hva har en mus til felles med en brusk fisk kjent som en liten skøyte?
Ved første øyekast tenker du kanskje ikke så mye. Man er fluffy, med store ører og værhår; den andre puster med gjeller og krusninger seg rundt havet. Den ene er et skadedyr for husdyr eller husholdninger; den andre er mest sannsynlig å se i naturen, eller i bunnen av et grunt basseng ved et akvarium. Men det viser seg at disse to virveldyrene har noe avgjørende felles: evnen til å gå. Og grunnen til at vi kan endre måten vi tenker på utviklingen av å gå i landdyr - inkludert mennesker.
En ny genetisk studie fra forskere ved New York University avslører noe overraskende: I likhet med mus har små skøyter den genetiske blåkopien som gjør det mulig å endre vekstmønsteret til høyre som firbeinte landdyr bruker. Disse genene ble ført ned fra en felles stamfar som levde for 420 millioner år siden, lenge før de første virveldyrene noensinne krøp fra hav til land.
Med andre ord, noen dyr kan ha hatt de nevrale traseene som er nødvendige for å gå, selv før de bodde på land.
Publisert i dag i tidsskriftet Cell, begynte den nye forskningen med et grunnleggende spørsmål: hvordan utviklet eller endret forskjellig motorisk atferd seg ved forskjellige arter over tid? Forfatter Jeremy Dasen, førsteamanuensis ved NYU Neuroscience Institute, hadde tidligere jobbet med bevegelse av slanger. Han ble inspirert til å se på skøyter etter å ha lest Neil Shubins bok, Your Inner Fish: A Journey into the 3, 5-Billion Year History of the Human Body, men visste ikke helt hvor han skulle begynne.
"Jeg ante ikke hvordan en skøyte så ut, " sier Dasen. “Jeg hadde spist det på en restaurant før. Så jeg gjorde det alle gjorde, jeg gikk inn på Google for å finne videoer av skøyter. ”En av de første tingene han fant var en Youtube-video av en clearnose-skate som engasjerte gangoppførsel. “Jeg var, wow, det er veldig kult! Hvordan gjør det det? ”Sier han.
Ved å bruke skøyter samlet av Marine Biologiske laboratoriet på Woods Hole, prøvde Dasen og andre å finne ut av det. Først det grunnleggende: Små skøyter er bunndrivende som bor langs østkysten i Atlanterhavet. De har ikke bein, og turgåingene deres ser ikke ut som et menneske som går en tur. Det de bruker er fremre bekkenfinner kalt "crus", som ligger under den mye større diamantformede seillignende finnen som bølger når de svømmer.
Når de fôrer, eller trenger å bevege seg saktere, engasjerer de seg korset i en bevegelse fra venstre til høyre vekselvis langs havbunnen. Fra bunnen ser det nesten ut som små føtter som driver skøyta fremover.
Men Dasen og teamet hans var ikke bare interessert i biomekanikken; de ønsket å identifisere genene som kontrollerte de motoriske nevrale traséene for å gå på skøyter.
Når man ser på utformingen av et virveldyr, begynner genetikere ofte med Hox-gener, som spiller en avgjørende rolle i å bestemme en organismes kroppsplan. Hvis genene blir slått ut eller feilbestilt, kan det stave katastrofe for dyret (som i eksperimentet der en flue vokste bena i stedet for antenner på hodet etter at forskere med vilje slo ut visse Hox-gener).
Dasen og kollegene hans så også på en genetisk transkripsjonsfaktor kalt Foxp1, lokalisert ved ryggmargen i tetrapods. Den forenklede forklaringen er at den fungerer ved å utløse motoriske nevroner som gir mulighet for gangbevegelsen.
"Hvis du slår [Foxp1] ut i modellorganismer som mus, har de mistet all evnen til å koordinere lemmemuskulaturen, " sier Dasen. "De har en alvorlig type motorisk koordinering som forhindrer dem i å gå normalt." Det er ikke slik at musene uten Foxp1 ikke har lemmene eller musklene som er nødvendige for å gå - de har bare ikke kretsene sine riktig tilkoblet.
Den kombinasjonen av gener i små skøyter som lar dem tråkke seg over havbunnen på jakt etter middag, går helt tilbake til en felles stamfar som levde for 420 millioner år siden - en overraskelse for forskerne, siden man kunne tenke seg å gå å komme etter at overgangen fra hav til land begynte, ikke før. At slike genetiske trekk stakk rundt så lenge, og utviklet seg på så unike måter på tvers av forskjellige arter, ga bare Dasen sin begeistring.
"Det er mye litteratur om evolusjonen av lemmer, men den vurderer ikke den nevrale siden av ting fordi det er mye vanskeligere å studere, " sier Dasen. “Det er ingen fossil rekorder for nevroner og nerver. Det er mye bedre måter å studere evolusjon ved å se på benete strukturer. ”
Mange forskere har sett på fossilprotokollen for detaljer om de tidligste landboerne. Det er Elginerpeton pancheni, en tidlig tetrapod som bodde utenfor havet en gang for rundt 375 millioner år siden. Og så er det Acanthostega, et annet gammelt virveldyr som forskere nylig har analysert for å lære om vekstmønster i lemmer og seksuell modenhet.
I mellomtiden har andre biologer hentet ledetråder ved å se på noen av de merkeligste fiskene som er i live i dag, og mange av dem har gamle linjer. Noen har sett på coelacanths og sarcopterygians, eller lungefisk (sistnevnte bruker bekkenfinner for å bevege seg i bevegelse som å gå). Andre har undersøkt bishrbevegelse. Den afrikanske fiskearten er utstyrt med lunger så vel som gjeller, slik at den kan overleve ute av vann - og har en bevegelse som ligner når man blir tvunget til å leve på land, som det ble sett i 2014-eksperimentet utført av University of Ottawa-biolog Emily Standen og andre.
Standen sier at hun sterkt beundrer den nye forskningen på små skøyter. "Jeg hadde forventet at det hadde vært ganske mye likhet [i systemene bak forskjellige dyrs bevegelser], men det at det er så nært som det var en herlig overraskelse, " sier hun. "Det taler til det jeg tror ganske sterkt på, at nervesystemet og hvordan det utvikler seg og fungerer, er veldig fleksibelt."
Den fleksibiliteten har helt klart vært nøkkelen gjennom evolusjonshistorien. Takket være den 420 millioner år gamle stamfaren, har vi nå alt fra fisk som svømmer, til slanger som glir, mus som går, til skøyter som bruker en kombinasjon av bevegelser - med Foxp1-genet uttrykt eller undertrykt avhengig av dyrets unike kroppsplan og bevegelse.
Og nå som vi vet litt mer om hva som styrer den bevegelsen i skøyter, er det mulig at kunnskap kan ha en fremtidig bruk for å forstå bipedalisme hos mennesker.
"Den grunnleggende prinsippet som motorneuroner kobler seg til forskjellige kretsløp er ikke virkelig utarbeidet [i komplekse organismer], så skøyta er en måte å se på det i et mer forenklet system, " sier Dasen. Men han vil ikke komme forut for seg selv når han forutsier hva det kan bety for fremtiden. Dasen håper bare at når de ser forskningen, vil folk ganske enkelt tenke: “Gee whiz, det er virkelig pent. De kan gå! ”
