1665 őszén London egy halott város volt. Miközben a királyi udvar Oxfordban igyekezett  tudomást sem venni a fővárosban dúló járványról, a pestis tízezrével szedte áldozatait. Aki tehette elmenekült, így az utcákon már nem és még épp csak élők hevertek laza káoszban, köztük időnként papok, vagy amulettjeikben, fülbemászó őrleteikben és misztikus tekercseikben vakon bízó alkimisták próbáltak utat lelni.

A járvány elsődleges oka a korabeli higiéniai állapotokban keresendő; az emberek, patkányok és a köztük ingázó bolhák egyvelege tökéletes inkubátornak bizonyult a pestis okozó Yersinia pestis baktérium számára. A fertőzött rágcsálókon táplálkozó élősködők beleibe jutva, a baktérium élénk szaporodásba kezd és saját maga által termelt cukorszármazékokba ágyazódva egy különleges  réteget, ún. biofilmet hoz létre. Ez a bevonat aztán hatékonyan meggátolja a tápanyagok felszívódását - vagyis a bolha éhkoppon marad, s hogy csillapíthatatlannak tűnő étvágyát enyhítse, új prédát keres. Ez előbb utóbb, különösen a korai London már emlegetett viszonyai között, egy ember lesz és kész a baj.

A biofilm képzés egy általános vonása a különböző Yersinia fajoknak, így a Y. pestis legközelebbi rokonának számító Y. pseudotuberculosis-nak is. Az egyetlen különbség az, hogy utóbbi erre képtelen rovarok beleiben - így aztán csak fertőzött személy (vagy állat) ürülékével történő közvetlen kontaktus során terjedve tud betegséget okozni. A bevonat létrehozása, mint a bakteriális életciklus sok más tulajdonsága, egy pontosan és szigorúan szabályozott folyamat és a Y . pseudotuberculosis esetében egy genetikai "kapcsoló" kikapcsolja a "biofilm géneket", amikor a baci egy rovar belsejébe kerül. És egy aktuális kutatás azt mutatja, hogy a pestis kórokozójában pont ez a "kapcsoló" romlott el. A szóbanforgó gén (egyébként az rcsA-ról van szó, ha valakit érdeklenek a részletek) "fosszilizálódott", vagyis pszeudogénné változott - szekvencia nyomaiban még felismerhető, de már nem hoz létre épkézláb fehérjét. Amennyiben viszont a Y. pseudotuberculosis működőképes rcsA génjét átültetjük a Y.pestis-be, az képtelen lesz a rovarbélben biofilmeket létrehozni. Kis lépése volt ez a bakteriális evolúciónak, de nagy fejfájása az emberi fajnak...     

Amikor "Éváról", az emberiség afrikai ősanyjáról beszélünk (aki, és a félrevezető elnevezés miatt, talán ez nem is hangoztatható elégszer, nem az első nő volt és nem is az egyetlen, hanem, ha csak az anyai ágak mentén mélyedünk a múltunkba, mindannyiunk legutóbbi közös női őse) az általában csak rövidke felvezetésként szolgál ahhoz, hogy elmesélhessük a Nagy Vándorlást, minden road trippek legrégibbjét, amelynek során fajunk végül belakta az egész földgolyót. (Utóbbiról egyébként itt, itt, itt és itt lehet olvasni.)

És bár már egész jó képünk van arról, hogy mi is történt miután úgy 60 000 éve az első merész kis csoport kimerészkedett a "fekete kontinensről", az valahogy kevésbé izgatta eddig az ilyesmivel foglalkozókat, hogy milyen vándorlásoknak adott teret az afrikai kontinens maga, a Nagy Vándorlás előtti és utáni időkben.

Ezen változtatott most a National Geographic és az IBM égisze alatt futó, Spencer Wells vezette Genographic Project, amelynek keretén belül az afrikai őslakosok genetikai anyagát, ill. ezen keresztül a múltjukat vették figyelmesebben szemügyre.

A 600 mitokondriális DNS-t felölelő vizsgálat, eredendően szintén csak az anyai ágak eredetét képes feltérképezni, de a globális vizsgálatok azt mutatják, hogy ez jobbára fedi a teljes közösség mozgásait is (az esetleges eltérések meg úgyis kiderülnek később, és önmagukban is igen érdekesek lesznek). Az első és talán legérdekesebb felfedezés az, hogy mintegy 150 000 évvel ezelőtt koránt sem egy egységes "emberi" populáció rótta a Afrika útjait. Legalább hat korabeli közösség genetikai "nyoma" lelhető fel a mai afrikai bennszülöttekben és ha megpróbáljuk megbecsülni az olyan populációk számát, amelyek végül "anyai ágon" kihaltak (vagyis nem maradt női utódjuk), akkor akár negyven körülire is tehethető az izolált közösségek száma, amelyek a Nagy Hasadék Völgy környékéről származtak el a szélrózsa minden (de különösen keleti és déli) irányába. (A ma is élő legősibb, "különutas" vonal a dél-afrikai Koi és Szan törzseket magába foglaló Koiszan "nemzettség".) És ez nem is sokat változott mintegy 110 000 éven át. Ha hinni lehet a becsült adatoknak, hamarabb értek el az Indiai-óceán partvonala mentén a (kelet-)afrikai eredetű vadászok Indiába és Ausztráliába, mint hogy a Dél-, Kelet- és Nyugat-Afrikába elszakadt különböző törzsek egymásra találtak. A kontinens (pontosabban annak a Szaharától délre élő) lakóinak újrakeveredését végül a bantu törzsek expanziója tetézte be lényegesen később, létrehozva a többé-kevésbé ma is fennálló állapotokat.

Mindezt azok a korábbi tanulmányok teszik még érdekesebbé, amelyek arra a következtetésre jutottak, hogy 70 000 éve a teljes emberi faj a kihalás szélére került. Pontosan nem tisztázott környezeti okok miatt a teljes emberi népesség néhány ezer (egyesek szerint kb. 2000) főre apadt, ami még tömbben sem lenne valami sok, hát ha még több tucat, szinte elérhetetlen távolságba szétszóródott, maréknyi törzsről van szó. S hogy egy ilyen helyzetből "felálltunk" és néhány földtörténeti időben számított "pillanat" alatt sikerült az egész bolygót belaknunk, az nemcsak szerencsés véletleneknek köszönhető (bár részben annak is), hanem fajunk alkalmazkodóképességének és rugalmasságának talán legjobb bizonyítéka.

Bár a jelenség elnevezése leginkább antropomorfizációs képességeinknek állít mementót, a "méhek tánca", pontosabban annak részletes leírása méltán emelte be Karl von Frisch-t a Nobel díjasok csarnokába. Kevés szofisztikáltabb állati viselkedésformáról tudunk, s abba is belegondolva, hogy mindezt durván egymillió idegsejt segítségével alakítják ki (összehasonlításképpen nekünk 5, azaz öt nagységrenddel több van...) az egész csak még érdekesebbé válik.

A megfelelő szögben és hosszúságban megejtett potrohrázás és tipegés ugyanis mérhetetlenül logikus. A kaptáron belül és kívül egyaránt adva van egy fix referenciapont (belül a kaptár teteje, kint pedig a Nap) így a "tánc" értelmezéséhez "mindössze" az szükséges, hogy a benti referenciaponthoz viszonyított szöget átültessük a külvilágba, meg helyesen értelemzzük a távolságot kódoló "potrohrázás-időtartam" információkat. A "mindössze" többszörösen megérdemli az idézőjelet, hiszen már az is szép teljesítmény lenne, ha az említett két referenciapont betonbiztos lenne, de hát, mint tudjuk, a Nap helyzete az égbolton koránt sem konstans - a kis nektárgyűjtők azonban képesek a táncukat ezt figyelembevéve folyamatosan korrigálni!

Felszínes összehasonlításban mindig könnyű a hasonlóságokat felefedezni köztünk és a kaptárok apró lakói között és mindenképpen egy ilyen felsorolásba kívánkozik, hogy a különböző földrajzi területeken élő méhek táncnyelve némileg eltér egymástól. A kérdés ezután persze az, hogy különböző méhfajok mennyire képesek egymás kommunikációt kisilabizálni.

Ennek megvizsgálására Kínában egy hibrid kaptárat hoztak létre, amelyben a jól ismert európai háziméhek (Apis mellifera ligustica) keveredtek ázsiai (Apis cerana cerana) rokonaikkal. A két faj táncnyelve hasonlít, de azért nem minden elemében: a táplálékforrás Naphoz való viszonyát hasonlóan fejezik ki, de a távolságot kódolni hivatott "riszálási" fázis igencsak eltér. Ennek ellenére a két méhfaj remekül megértette egymást: ha adott irányban, a kaptártól 400, 500 és 600 méterre egy-egy táplálékforrást helyeztek el, majd egy dolgozót a középsőhöz hozzászoktattak, a kaptár lakóinak többsége, fajtól függetlenül ehhez a dobozhoz sietett a "tánc" megtekintése után.

Persze, ha őszinték vagyunk. erre két magyarázat is létezhet: a kézenfekvőnek tűnő, "a méhek mégis tökéletesen dekódolták egymás táncát" mellett, az sem kizárt, hogy a hibrid kaptár lakóinak esetében a potrohrázásnál fontosabb szerepet kaptak a különböző szagjelek, amelyekkel a visszatérő dolgozó igyekezett magával csalogatni társait a táplálékforrás helyére...

Trivialitáson túli közhelynek tűnik megállapítani, hogy az európai konyhák többé vagy kevésbé mind tejközpontúak (gondoljunk csak egy átlagos áruházban levő tejtermék pult szélességére), de mégsem haszontalan, ui. viszonyítási alapot ad. Még pedig egész pontosan ahhoz, hogy lássuk, mi, tejfogyasztó emberek mindezek ellenére kisebbségben vagyunk, hiszen az európaiak lakta területeken kívül gyakran 90% is lehet a tejet felnőttkorban elfogyasztani képtelenek aránya a lakosságban. És emlékeztetőül: nem-nem ők a furcsák, nem szenvednek semmilyen betegségben, mi vagyunk a "furcsa", a szó szoros értelmében mutáns kisebbség.

Természetesen szó sincs valami X-Men féle fantazmagóriáról, mindez a mindennapjainkat is átható természetes folyamat, a természetes szelekció eredménye.

Annyi történik mindössze, hogy a tejet felnőttként is boldogan fogyasztókban a tinédzserkor végén nem kapcsolódik ki a tejben levő laktóz lebontásáért felelős laktáz (LCT) gén. A többiekben azonban ez nincs így és az enzim hiányában az említett tejcukor változatlan formában halad végig a vékonybelünkön - a vastagbélben élő baktériumok nagy örömére. (Persze ami nekik jó, az ez esetben kevésbé örömteli a gazdának: a laktózon tivornyázó bacik rengeteg gázt termelnek, fájdalmas gyomor problémákat okozva.) Mai szemmel furcsának tűnhet, hogy mire is jó a laktáz gén kikapcsolása, de jusson eszünkbe, hogy egy klasszikus emlős az elválasztása után már nem találkozik tejjel élete során, így tök fölöslegesen termelné az enzimet.

Mint arról már esett szó, az európai (és egyes kelet-afrikai) populációkban úgy 5000-10 000 éve jelentek meg és terjedtek el az LCT gén szabályozó szekvenciáiban azok a mutációk, amelyek az enzim kései bekpacsolt állapotát biztosítják. Mindez a szarvasmarha megszelídítésének feltételezett időpontjával esik egybe, ami logikusnak is tűnik. Most azonban az Arab félszigeten a laktóz tolerancia olyan változatára bukkantak, ami függetlennek tűnik az előbbiektől. Itt egyenesen két pont mutáció együttműködése éri el az említett hatást (ez a C₋₃₇₁₂-G₋₁₃₉₁₅  allél - mindkét mutáció az LCT gén szabályozórégiójába esik), ugyanakkor az allél elterjedése mindössze olyan 4000 évvel ezelőttre tehető. És ez esetben nem lehet szó szarvasmarhákról - annál inkább viszont tevékről, amelyeket ezidőtájt kezdtek a világnak ezen a pontján megszelídíteni, nemcsak megbízható közlekedési eszközt biztosítva maguknak az ott lakók, de kiszámítható hús és tejforrást is.

A tevetej talán bizarrul hangzik Európában, ugyanakkor számos nomád törzs étkezésének szinte nélkülözhetetlen eleme. Magas vas, ill. B- és C-vitamin tartalma miatt az ENSZ élelmezésügyi részlege is felfigyelt rá, sőt egzotikuma miatt még az sem kizárt, hogy néhány ny-európai gourmand üzlet hamarosan felveszi a kínálatába.  

Ha a halak szaporodásáról beszélünk, az értő akvaristáktól eltekintve, a legtöbb ember szemei előtt az aljzaton hagyott ikrák és tovaúszó anyák jelennek meg. Tegyük hozzá, természetesen nem alaptalanul, hiszen a szaporodás ezen, a mi szemszögünkből nézve kicsit mostoha módja a leggyakoribb a halak körében. Sikeréhez persze elengedhetetlen az embrióhoz "útravalóul" csomagolt nagy mennyiségű szikanyag, hogy szegény utód mégse éhezzen, amíg képessé nem válik a saját táplálékszerzésre.

Ugyanakkor ez messze nem a teljes kép, hiszen a halak között is találunk ún. álelevenszülőket (ők a saját testükben keltik ki az ikrákat, de más módon nem járulnak hozzá a fejlődéséhez), ill. számos elevenszülőt is, az embriók táplálásához elengedhetetlen placentával, azaz méhlepénnyel.

S még ha ez unikumnak is hangzik, valójában nem az, mint az egyre bővülő fosszilis anyag is mutatja. Most a nyugat-ausztráliai Gogo formációból került elő egy halacska, amely az áldott állapot félreérthetetlen jeleit hordozza magában (megj: akadt már arrafele korábban is érdekesség, és kétségtelen, hogy ezzel még nincs kiaknázva a lelőhely).

Az említett hal a mára kihalt páncélos halak (Placodermi) közé sorolható és a rendszertani keresztségben a Materpiscis attenboroughi nevet kapta (a "materpiscis"-hez nem sok kommentárt fűznék, hiszen ez konkrétan anyahalat jelent, az "attenboroughi" pedig onnan jön, hogy a Gogo fromációra először Sir David hívta fel a figyelmet az 1979-es "Élet a Földön"-ben). Ami érdekessé teszi az a belsejében levő kis halacska, ami minden jel szerint nem a "nagy hal enni kis hal" logika szerint került oda: részint csontozatán nyoma sincs az elfogyasztás (harapás, emésztés) jeleinek, de ami még ennél is árulkodóbb a jól kivehető köldökzsinór.

Vagyis több százmillió évvel a méhlepényes emlősök megjelenése előtt, a Devon korban, a halak már "rájöttek" arra a trükkre, ami majd később az emlősök egy csoportja számára a biztonságos szaporodást és ebből kifolyólag (valószínűleg) a gyors elterjedést is biztosította.  

Long JA, Trinajstic K, Young GC, Senden T. (2008) Live birth in the Devonian period. Nature 453: 650-652.

Szóval az erszényes farkas és a Col2A1 gén esete a magyar elektronikus médiával, avagy fiktív hírek a nagyvilágból. Pontosabban létezik egy másik hír a két említett szereplővel, de az, mint látni fogjuk, más, mint amiről a vezető magyar hírportálok "tudósítanak".

"Újra működik a tasmán tigris génje" zengi bele a nagyvilágba az Index/MTI híre, majd nagy lendülettel folytatja: "A tudósok a dns-t egy egér embriójába fecskendezték, amelyben aztán a gén porcszövetet képzett [...] bemutatva, hogy a kihalt erszényes Col2A1 jelű génjének ugyanolyan – azaz porc- és csontképző – funkciója van, mint az egerek saját Col2A1-ének." Pesthy Gábor az origo színeiben nem adja alább, hanem már egyenesen arról értekezik, hogy: "a kinyert DNS-ben lévő Col2a1 nevű gént használták föl (ez a gén a porc- és a csontfejlődést szabályozza.) A gént olyan egérembriókba injektálták, amelyekből előzőleg eltávolították az egér saját Col2a1 génjét. Az embriók a kicserélt genetikai információ ellenére jól növekedtek, és normális módon fejlődött ki a porc- és a csontszövetük is."

Jól hangzik, csak nem ez történt. Pedig, ha a fürge tollú szerzők azt a minimális fáradtságot vették volna, hogy a szóbanforgó cikk bevezetőjét elolvassák, akkor láthatták volna, hogy miről van szó: "We isolated a transcriptional enhancer element from the genome of an extinct marsupial, the Tasmanian tiger  [...] then examined the function of the enhancer in vivo".

Magyarán nem a Col2A1 gént, hanem egy szabályozó elemét izolálták, arról pedig végképp nincs szó, hogy Col2A1 gént nélkülöző egereket használtak volna fel. Mindössze az említett szabályozó régiót (amit eleve úgy izoláltak, hogy a szekvenciája nagyon hasonlított az egér Col2A1 génjének megfelelő szabályozó eleméhez) egy ún. riporter génhez kötötték, aminek átíródását jól lehet követni egy festési eljárás révén embriókban. S mivel az erszényes farkas szabályozó eleme pont olyan mintázatot hozott létre, mint az egér saját szabályozó régiója tette volna, a következtetés az, hogy a funkció konzervált (persze, mivel a szekvencia eleve nagyon hasonló volt, ezen azért csak mértékkel - értsd: nem - lepődünk meg). Az egész kísérletsorozatban az az egyetlen úgymond különleges, hogy az erszényes farkas mára már kihalt és a DNS darabkát egy múzeumi preparátumból szerezték be. Ettől eltekintve a kísérlet eléggé rutin feladat egy jobb egérlaborban.   

Mindezek tükrében nem tudok nem azon filózni, hogy amíg ez a jereváni rádió szintjén működő tollforgatás a standard, addig hogyan fognak a magyar olvasók tényszerűen tájékozódnak a világ tudományos életéről...? 

Pask AJ, Behringer RR, Renfree MB (2008) Resurrection of DNA Function In Vivo from an Extinct Genome. PLoS ONE 3(5): e2240. doi:10.1371/journal.pone.0002240

Az élőlények környezetének változásaira a természetes szelekció olyan génvariánsok (allélok) elterjesztésével reagál, amelyek az új körülmények között a legtöbbet nyújthatják hordozójuknak. És mivel a környezet folyamatosan változik, elvétve még az is előfordulhat, hogy hirtelen egy új és frissen elterjedt allél már nem előnyösebb, mint a gén régebbi verziója, sőt, s ilyenkor tanúi lehetünk egyfajta természetes "vissza az egész" procedúrának. Ezt a szaknyelv "reverz evolúciónak" nevezi és a közelmúltban a tüskés pikók egy populációjának esetében figyelték meg.

Mint a tüskés pikók evolúciójáról szóló régebbi posztban már írtam, a hal édesvízi populációinak egy jellegzetes tulajdonsága, hogy elvesztették a páncélzatukat. Hogy pontosan miért az nem teljesen világos, de a jelek azt mutatják, hogy amikor az eredetileg tengerben honos pikóhal édesvízi környezetbe került, a szelekció igencsak a páncélzat hiányát kezdte preferálni. S mivel már az ősi, tengeri populációkban is jelen volt - bár egyáltalán nem elterjedten - a páncélzat kialakításáért felelős ectodysplasin (eda) gén egy olyan allélja, amelyik a páncélzatot alkotó csontlemezek fejlődését elszabotálta, értelemszerűen ez terjedt el az új élőhelyen.

És minden jó és szép volt hosszú-hosszú ideig, amíg a Lake Washington-ban valami meg nem változott. Az okokról ismét csak az ötletelés szintjén tudunk beszélni - a tó vizének a hatvanas-hetvenes évekre tehető letisztulása megváltoztatta a látási viszonyokat, amelyek a pikó ragadozóinak kedveztek -, a következmények viszont jól láthatóak (a mellékelt ábrán is). A páncélos halak reneszánsza zajlik ma itt, s ha a folyamat tartós marad a "csupasz" pikók hamarosan kuriózumszámba mennek majd a tóban. (A jelenség genetikai oka, az eda gén régebbi alléljának újraelterjedésében azonosítható.)   

Kitano J, Bolnick DI, Beauchamp DA, Mazur MM, Mori S, Nakano T, Peichel CL (2008) Reverse evolution of armor plates in the threespine stickleback. Curr Biol 18(10): 769-774.

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.        

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.) 

Bár biológusként maximálisan a diverzitás hívei vagyunk, most még is ismét egy kacsacsőrű sztorit járnánk körül, leginkább azért mert szorosan kapcsolódik korábbi posztokhoz.

Amint arra a múlt heti, genom szekvenciát körbejáró irományomban is utaltam, a kacsacsőrű emlős egyszerre tárháza az ősi emlős, valamint a specifikus, csak erre a fajra jellemző jegyeknek. Utóbbiak közé sorolható mindenképpen az a, hétköznapinak semmiképpen sem mondható, vonása, hogy nincs gyomra. Pontosabban a nyelőcső végén akad egy kis tágulat, de ez szerkezetében egyáltalán nem emlékezetet arra, amit más emlősökben (ill. gerincesekben általában) gyomornak aposztrofálunk; például teljesen híján van gyomronedveket termelő mirigyeknek.

Ennek a különleges jellegnek az okát csak találgatni tudjuk (pl. a táplálék jelentős részét kitevő rovarlárvák nem igénylik a gondos emésztést?), a következményeit viszont annál könnyebben észlelhetjük. Egyrészt a "gyomor" pH értéke, a savak hiánya miatt igencsak magas, 6 körüli - ellentétben az emlős gyomorban általában dívó 2 körüli értékkel. Másrészt a szerv hiányát tükrözi a gyomorspecifikus enzimeket kódoló gének eltűnése ill. működésképtelensége is.

Aki már követte a fosszilis génekről szóló történetünket, azt aligha lepi meg ez a jelenség. Hiszen a fogaikat elvesztő szilás cetekben is valami nagyon hasonló következett be a fogzománc génjeivel: a soha nem használt gént lassan elöntik a mutációk és hamarosan teljesen működésképtelenné, ill. egyes esetekben felismerhetetlenné teszik. A gyomortalan platypus genomjában hiába keressük a fehérje lebontás első lépéseiért felelős pepszinogén géneket vagy a gyomorsav kiválasztást szabályozó gasztrin hormon génjét. Ezek ugyanis szőrén szálán eltűntek. Hogy mi is történhetett velük, arra csak a más fajokban a gyomor savasságát kialakító proton pumpa egyik egységét kódoló gén (ATP4B), valamint egy cathepsin E nevű enzim története utal. Előbbit néhány pontmutáció változtatta működésképtelenné, míg utóbbi közepébe egy transzpozon "ugrott bele", teljesen összekuszálva a kódoló szekvenciát.

Valahogy így válhattak működésképtelenné az említett, nyomaveszett gének, valamint a gyomor fejlődést szabályozó neurogenin-3 is. A nagy kérdés persze, és erre lehet soha nem tudjuk meg a választ, hogy mi is történt hamarabb: előbb vált néhány gyomor-specifikus gén működésképtelenné és ezt követte a szerv elsatnyulása, vagy az elsatnyult, mirigyeket már létrehozni képtelen gyomor tette fölöslegessé a fehérjéket, ill. az őket kódoló géneket.

(Via The Loom.)

Ordonez GR, Hillier LW, Warren WC, Grutzner F, Lopez-Otin C, Puente XS (2008) Loss of genes implicated in gastric function during platypus evolution. Genome Biology 9: R81. doi: 10.1186/gb-2008-9-5-r81

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.)

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. 

"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.