Közel félmilliárd évvel ezelőttig a földi élet a vizekre szorítkozott. Ekkor azonban a növények, majd őket követve az ízeltlábúak (őket követve pedig még később a gerincesek) is kiléptek a szárazföldre. És utóbbiak hamarosan a levegőt is birtokba vették.
Hogy pontosan miképp alakulhatott át az addig vízi életmódhoz szokott állatok teste ehhez, az egy fontos kérdése volt az evolúcióbiológiának. Korábban is léteztek sejtések, elsősorban génexpressziós hasonlóságok alapján, hogy ősi kopoltyúk, pontosabban az azokat létrehozó genetikai program lett felhasználva (kooptálva) a szárnyak kialakulásához, de a kérdés koránt sem volt eldönthető.
Most azonban az elevenszülő kérész (Cloeon dipterum) genomjának meghatározásával egy újabb bizonyítékot kapott a szárnyak kopoltyú-eredetének hipotézise.
A kérészek életciklusának ugyanis fontos része, hogy a vízben élő lárváinak (nimfáknak) kopoltyúi vannak, viszont nincs szárnyuk. Ez így van a C. dipterum esetében is és ahogy az alábbi ábrán jól megfigyelhető, a kicsit idősebb, életüket szapora táplálkozással a vízfelszín alatt töltő lárvák (c) oldalán jól felismerhető kopoltyúkat találhatunk. A felnőttekben (d - nőstény, e - hím) aztán ezek eltűnnek, viszont a metamorfózis után a tor második szelvényén egy pár jól fejlett hártyás szárny jelenik meg (ez faji specialitás, más kérészeknek két pár hártyás szárnya van).
Így ebben a fajban lehetőség nyílt arra, hogy megvizsgálják, mennyire hasonló gének fejeződnek ki a lárvák kopoltyújában és a felnőttek szárnyában. Hogy a vizsgálat ne a meglevő hipotéziseket igazolja vissza és valamennyire elfogulatlan legyen, nem egyes géneket vizsgáltak meg, hogy azok kifejeződnek-e, mindkét szervben, hanem mind a kopoltyúk, mind a szárnyak transzkriptómáját (a bennük kifejeződő összes gént) vetették össze egyéb szervekével. A megfelelő programok képesek a génexpressziós profilok hasonlósága alapján megmondani, hogy melyik két minta hasonlít leginkább egymásra (pl. nem meglepő, ha egy nőstény feje jobban hasonlít egy hím fejére, mint mondjuk egy béldarabra) és amint az alább látható, ennek az elemzésnek is az lett az eredménye, hogy gébkifejeződés szempontjából a kopoltyúk és a szárnyak kerültek egymáshoz a legközelebb.
A tanulmány másik érdekessége, hogy egy különleges, UV-hullámhosszú sugarak felismerésére alkalmas opszin-fehérje nem-függő kifejeződésére is bizonyítékot találtak. A C. dipterum hímek különlegessége, hogy oldalra néző szemük tetején egy másik, turbán-szerű, vörös színű összetett szemet is hordoznak. Ennek funkciója eddig jobbára ismeretlen volt, habár az nyilvánvaló, hogy egy ennyire erősen dimorf jelleget a szexuális szelekció hozhatott össze.
Most azonban arra is fény derült, hogy a hímek ezekkel a szemeikkel egy kicsit "más színben"látják a világot. A fényérzékeny sejtekben az állatvilágban különböző opszin fehérjék felelősek a fény érzékeléséért, ezek a fény hatására olyan szerkezetátrendeződésen esnek át, amelyet aztán a sejt képes molekuláris jelátvitelre váltani.
Különböző hullámhossz fénysugarakat különböző opszinok képesek felismerni és ez részben definiálja is a spektrumot amit érzékelni bírunk: pl. a legtöbb emlős, tükrözve azt, hogy az ősi emlősök éjszakai állatok lehettek, csak két opszin fehérjével rendelkezik, ezért kevésbé színesen látják a világot; a főemlősök, köztük mi is, különcök, mert egy extra génduplikációnak köszönhetően már három opszinnal rendelkeznek.
Az elevenszülő kérészek esetében a genomikai vizsgálatok arra világítottak rá, hogy a "turbánszemben" specifikusan fejeződik ki két opszint kódoló gén is, a kék színekre érzékeny blue-Ops2 és az UV-érzékeny UV-Ops4. A többi opszin gén (köztük egy további kék-érzékeny és más UV-érzékenyek) mind a két nemben, az oldalra néző összetett szemekben volt jelen, így azt sejtjük, hogy ennek a két különleges opszinnak valahogy a párválasztásban lehet szerepe.
Akit esetleg érdekel, miként telik egy kérész-labor egy napja, annak ajánlom a the Node posztját pár évvel ezelőttről, a mostani cikk első szerzője pedig a Nature EcoEvo blogjában is írt a munkájukról.
(A borítókép forrása a BugGuide.net.)
Almudi I, Vizueta J, Wyatt CDR, et al. (2020) Genomic adaptations to aquatic and aerial life in mayflies and the origin of insect wings. Nat Commun 11(1):2631. doi: 10.1038/s41467-020-16284-8
