Evolutionshistorisk gåde splitter forskerne: Udviklede nervesystemet sig to gange?

Nervesystemets opståen er en af de vigtige begivenheder i dyrenes udviklingshistorie og med undtagelsen af ganske få organismer, besidder alle nulevende dyr et nervesystem.

Den store udbredelse af nerveceller i dyreriget betyder, at det må have været en enorm evolutionær fordel at besidde et nervesystem.

Nervesystemet er helt essentielt for vores interaktion med omverdenen, og med dets udvikling blev det muligt at integrere sanser og bevægelser på en hurtigere og præcis måde.

Det kunne dermed danne basis for mere kompleks adfærd.

‘Umuligt’ at nervesystemet skulle have udviklet sig to gange

Når man undersøger strukturen af for eksempel vores eget nervesystem, besidder det en utrolig kompleksitet. Så mange elementer interagerer på alle niveauer fra hele organismen til organer, celler og proteiner, at det er nemt at gå tabt i detaljerne.

Fordi kompleksiteten af nervesystemet er så høj, har biologer altid tænkt, at alle dyr med et nervesystem må have været efterkommere af en fælles forfader.

At noget så komplekst skulle have udviklet sig flere gange, uafhængigt af hinanden virkede helt umuligt… indtil for ganske nyligt.

Nye resultater tyder nemlig på, at nervesystemets udviklingshistorie er langt mere kompleks end tidligere antaget (se her, her og her).

For at kunne forstå disse resultater, er man nødt til at kigge på de mest basale dyr (se faktaboksen for forklaring på ‘basal’).

Hvor kommer dyrene fra?

Stort set alle dyr vi kender, har en såkaldt bilateral symmetri – det vil sige, at de kan spejles på midten. For eksempel har vi en højre og venstre side, der er identiske. Alle disse dyr (kaldet bilateria) har en fælles forfader, som levede for omkring 700 millioner år siden, hvor den bilaterale symmetri opstod.

Der findes dog stadig nogle få dyrerækker, der opstod før denne hændelse. Disse tidlige dyrerækker er: dyriske svampe (Porifera), ribbegopler (Ctenophora), Placozoa – som ikke har noget dansk navn og nældedyr (Cnidaria).

Vores fælles evolution med disse dyr er derfor kortere end med andre bilateria. Vi deler dog stadig en lang række fællestræk med dem, da vi har en fælles forfader.

Hvornår disse dyrerækker fraspaltede sig i evolutionen er interessant, da det kan fortælle os meget om vores egen udviklingshistorie – blandt andet hvornår det første nervesystem udviklede sig.

LÆS OGSÅ: Hvor er beviserne for evolution?

De tidligt forgrenende dyr

Indtil for nylig har biologer troet, at de dyriske svampe var den første gruppe til at fraspalte sig. Dyriske svampe har ikke noget at gøre med, hvad vi i dagligdagen kalder svampe.

De tilhører derimod, som navnet antyder, dyreriget. De dyriske svampe er stationære, lever af at filtrere vand for organisme-partikler og plankton og har ikke et nervesystem.

Placozoa en bemærkelsesværdig dyrerække med kun to beskrevne arter. Dyrene består groft sagt af to cellelag, der er et par mm i diameter. De har ikke noget nervesystem, men er dog alligevel i stand til at udføre relativ kompleks adfærd – såsom at søge efter alger at fordøje.

Nældedyr er en fællesbetegnelse for blandt andet vandmænd, søanemoner og koraller. Selvom det er simple dyr, er de den nærmeste dyrerække til de bilaterale dyr. Og de besidder ikke mindst et nervesystem.

Man troede længe, at ribbegopler og nældedyr udgjorde en fælles gruppe på grund af deres lignende geléagtig udseende. Ved nærmere eftersyn kunne man dog se at både deres celler og genetiske materiale ikke lignede hinanden, og de blev derefter adskilt som to dyrerækker.

Ribbegopler kan blandt andet genkendes fra almindelige vandmænd på, hvordan de bevæger sig. Ribbegopler bevæger sig nemlig ved hjælp af rækker (eller ribber, om man vil) af fimrehår på deres yderside. De besidder også, som nældedyrene, et nervesystem.

Udviklede de dyriske svampe sig først?

På baggrund af fysiske træk (blandt andet tilstedeværelsen af et nervesystem, men også fordøjelsessystemet og andre træk), tænkte man, at fraspaltningen af dyregrupper fra det, der senere blev til de bilaterale dyr, skete i følgende rækkefølge: dyriske svampe – placozoa – ribbegopler – nældedyr.

Det giver god mening, da nervesystemet så formentlig udviklede sig én gang mellem placozoa og ribbegoplerne.

Men det er som bekendt ikke altid, at biologien passer ind i vores forestillinger.

Eller var det ribbegoplerne?

I dag bruger man computere til at analysere genomer fra nulevende dyr i et forsøg på at fastslå deres udviklingshistorie. Ved at sammenlige genetiske sekvenser kan man beregne den mest sandsynlige udvikling og komme med nogle bud på, hvilke dyr der udviklede sig først.

I det seneste årti er der sket en eksplosion i mængden af genetisk data, der er blevet sekvenseret, og det har givet os forskere mulighed for at benytte denne metode til at undersøge i hvilken rækkefølge, de tidligste dyr udviklede sig.

I nogen tid viste forskellige analyser, at det var de dyriske svampe (som ikke har et nervesystem), der udviklede sig først, som man også have forventet ud fra tidligere teorier.

Det var derfor meget overraskende, da flere og flere nye analyser begyndte at foreslå, at det måske rent faktisk var ribbegoplerne (som har et nervesystem), der var den første dyrerække, der fraspaltede sig.

Hvorfor er det så overraskende? Fordi nervesystemets udviklingshistorie dermed pludselig viser sig at være mere kompliceret end som så.

Vi har fortsat ikke noget endeligt svar på, hvordan det første nervesystem udviklede sig, og der er derfor stor debat mellem forskere om fortolkningen af resultaterne.

Fortolkningerne kan groft sagt opdeles i tre forskellige hypoteser.

LÆS OGSÅ: Hvad er videnskabelig evidens?

Hypotese 1: Resultaterne er forkerte

Nogle forskere er meget skeptiske over for de resultater, der viser, at ribbegoplerne var de første til at fraspalte sig i evolutionen. Hvorfor?

Svaret er, at det er en vis usikkerhed knyttet til disse analyser, samt at resultaterne medfører nogle umiddelbart usandsynlige konklusioner.

Nemlig enten:

1. Nervesystemet udviklede sig to gange, eller
2. Nervesystemet udviklede sig én enkelt gang meget tidligt i evolutionen, men gik så tabt i både de dyriske svampe og i placozoa (hvorfor de konklusioner er usandsynlige, vender vi tilbage til.)

Fylogenetiske analyser kan variere en del i deres resultater afhængigt af blandt andet, hvilke dyr man inkluderer, mængden af data, valg af model, osv. Det bliver heller ikke lettere af, at der er tale om den meget tidlige udviklingshistorie for over 700 millioner år siden.

Endelig er der også andre forskergrupper, der i deres analyser fortsat finder, at det er de dyriske svampe, der udviklede sig først.

LÆS OGSÅ: Var det her Jordens første liv?

Hypotese 2: Nervesystemet udviklede sig to gange

Nogle forskere mener derimod, at nervesystemet udviklede sig to gange, uafhængigt af hinanden: Én gang i forfaderen til de nutidige ribbegopler og en anden gang i den fælles forfader til nældedyr og de bilaterale dyr.

Det er en dristig hypotese, da nervesystemet er et meget komplekst netværk. Der ville være tale om et ekstremt eksempel på, hvad biologer kalder paralog evolution.

Konvergent evolution er, når et træk udvikler sig uafhængigt i to dyregrupper. Vi ved, at konvergent evolution af og til finder sted – for eksempel har både øjne og vinger udviklet sig flere gange.

Fortalere for paralog evolution-hypotesen argumenterer, at et dobbelt tab af nervesystem i både de dyriske svampe og hos placozoa er meget usandsynligt.

Derudover er nervesystemet i ribbegopler meget anderledes end i andre dyr.

For eksempel er mange af de neurotransmittere, som andre dyr benytter, tilsyneladende ikke tilstede hos ribbegopler. Det samme gør sig gældende for en række proteiner, som normalt anses for essentielle i nervesystemet. Det styrker paralog evolution-hypotesen.

Der er dog også mange skeptikere over for denne hypotese.

Selvom nervesystemet hos ribbegopler er bemærkelsesværdigt, minder det nemlig på mange måder stadig en del om andre nervesystemer. Eksempelvis benytter ribbegopler i høj grad neurotransmitteren glutamat, som er den mest almindelige neurotransmitter hos mange andre dyr.

LÆS OGSÅ: Kan aber blive lige så kloge som os i fremtiden?

Hypotese 3: Nervesystemet gik tabt i placozoa og dyriske svampe

Hvis nervesystemet derimod udviklede sig én enkelt gang i den fælles forfader til alle dyr, må det være gået tabt i både de dyriske svampe og i placozoa.

Nervesystemets næsten universelle udbredelse i dyreriget tyder på, at det er en stor evolutionær fordel at besidde. En del forskere mener derfor, at et sådant dobbelt tab af nervesystemet er meget usandsynligt.

Hvis de dyriske svampe har tabt nervesystemet, må det formentlig have været en fordel for dem at klare sig uden. Men hvilke fordele kunne det være ikke at have et nervesystem?

For det første kunne nervesystemet være fysisk i vejen hos både de dyriske svampe og placozoa.

Dyriske svampe lever af at filtrere vand i et system af hulrum. Et nervenet kunne måske have mindsket dette flow af vand.

Placozoer, på den anden side, er utrolig plastiske i deres struktur, og hos dem kunne et fast forankret nervenet måske nedsætte deres mulighed for at skifte form.

En anden mulighed er simpelthen, at det kræver en masse energi at have et nervesystem. Det estimeres for eksempel, at vores hjerne (som indeholder milliarder af nerveceller) benytter 20 procent af vores totale energi, selvom den kun udgør ca. 2 procent af vores kropsvægt.

Måske var prisen for at have et nervesystem for høj for de dyriske svampe og placozoa. Der var ikke så meget ekstra at vinde for dem med et nervesystem, da de sagtens kan klare sig uden.

Naturen er ikke forpligtet til at give mening

Det er som sagt stadig uvist, hvordan nervesystemet udviklede sig.

Der er mange muligheder, og man kan kun håbe på, at højere kvalitet af data og analyser på et tidspunkt fører os forskere henimod en større grad af enighed.

I mellemtiden er det derfor en god idé at betragte alle hypoteser og være åbne over for selv højst uintuitive muligheder – såsom at nervesystemets betydning måske er stærkt overvurderet.

LÆS OGSÅ: Forskere finder 520 millioner år gammelt fossileret nervesystem

LÆS OGSÅ: Derfor har vi brug for en moderne oprindelseshistorie