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Le teste della maggior parte degli animali sono facilmente riconoscibili, ma finora gli scienziati non sono riusciti a dire lo stesso delle stelle marine.
La stella marina ha cinque braccia identiche con uno strato di “piedi tubolari” sotto, che possono aiutare la creatura marina a muoversi lungo il fondo del mare, portando i naturalisti a chiedersi se le stelle marine abbiano estremità anteriori e posteriori specifiche e se abbiano davvero una testa.
Ma nuove ricerche genetiche suggeriscono il contrario, cioè che le stelle marine sono in gran parte teste prive di tronco o coda, e probabilmente hanno perso quelle caratteristiche evolutivamente nel tempo.
Gli strani fossili degli antenati delle stelle marine, che sembrano avere un tronco, hanno più senso dal punto di vista evolutivo alla luce delle nuove scoperte, hanno detto i ricercatori.
I risultati sono stati pubblicati mercoledì sulla rivista natura.
“È come se alla stella marina mancasse completamente il torso, e sarebbe meglio descriverla semplicemente come una testa che striscia sul fondo del mare”, ha detto Laurent Formery, autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato presso la Stanford University e l’Università della California, Berkeley. una dichiarazione. . “Questo non è affatto ciò che gli scienziati presumevano riguardo a questi animali.”
La scoperta, resa possibile da nuovi metodi di sequenziamento genetico, potrebbe aiutare a rispondere ad alcune delle più grandi domande rimaste sugli echinodermi. Compresi i loro antenati comuni con gli esseri umani e altri animali che non assomigliano per niente a loro.
Piano corporeo unico
Le stelle marine appartengono a un gruppo chiamato echinodermi, che comprende ricci di mare, dollari della sabbia e cetrioli di mare. Questi animali insoliti hanno piante corporee uniche disposte in cinque sezioni uguali che differiscono significativamente dai corpi simmetrici testa-coda degli animali bilaterali, in cui i lati sinistro e destro si rispecchiano a vicenda.
Le stelle marine iniziano come uova fecondate che si schiudono in larve che galleggiano nell’oceano, come il plancton, per settimane o mesi prima di stabilirsi sul fondo dell’oceano. Lì subiscono il processo di conversione del corpo binario in un corpo a forma di stella o pentagonale.
“Questo è stato un mistero in zoologia per secoli”, ha detto in una dichiarazione Christopher Lowe, uno degli autori senior dello studio e biologo marino e dello sviluppo presso l’Università di Stanford. “Come si passa da un piano corporeo duplice a un piano corporeo quintuplice e come si confronta qualsiasi parte di una stella marina con il nostro piano corporeo?”
La pianta corporea bilaterale nella maggior parte degli animali deriva da azioni genetiche a livello molecolare che possono essere ricondotte alla testa e al tronco o alle regioni principali del corpo, motivo per cui i vertebrati, come gli esseri umani, e molti invertebrati, compresi gli insetti, condividono una programmazione genetica simile. Questa scoperta ha vinto un premio Premio Nobel in Fisiologia o Medicina nel 1995.
Ma gli echinodermi condividono anche un antenato comune con gli animali bilateriani, aggiungendosi al mistero che i ricercatori stanno cercando di risolvere.
Il coautore dello studio, il dottor Geoff Thompson, docente presso l’Università della California, ha dichiarato: “Il modo in cui le diverse parti del corpo degli echinodermi si relazionano con quelle che vediamo in altri gruppi di animali è stato un mistero per gli scienziati durante tutto il loro studio”. “Nei loro parenti bilaterali, il corpo è diviso in testa, torso e coda”, ha detto Southampton in una nota. “Ma solo guardando una stella marina, è impossibile vedere come queste parti si relazionano ai corpi bilaterali degli animali.”
I ricercatori dietro questo nuovo studio hanno utilizzato la tomografia microcomputerizzata per catturare uno sguardo 3D senza precedenti sulla forma e la struttura delle stelle marine.
Successivamente, i membri del team hanno utilizzato tecniche analitiche avanzate per determinare dove i geni sono espressi all’interno dei tessuti e identificare specifiche sequenze di RNA all’interno delle cellule. L’espressione genica si verifica quando l’informazione all’interno di un gene diventa attiva.
Marcatori molecolari specifici agiscono come progetti corporei, indirizzando ciascuna cellula verso la regione del corpo a cui appartiene.
“Se si spoglia la pelle di un animale e si osservano i geni coinvolti nel determinare la testa dalla coda, gli stessi geni codificano per queste regioni del corpo in tutti i gruppi di animali”, ha detto Lowe. “Così abbiamo ignorato l’anatomia e ci siamo chiesti: c’è un asse molecolare nascosto sotto tutta questa strana anatomia e qual è il suo ruolo nella formazione del corpo a cinque raggi della stella marina?”
Laurent Forbery
Qui è mostrato il sistema nervoso di una stella marina durante l’analisi.
Insieme, i dati hanno creato una mappa 3D per determinare dove i geni vengono espressi mentre le stelle marine si sviluppano e crescono. Il team è riuscito a identificare i geni che controllano lo sviluppo dell’ectoderma della stella marina, che comprende la pelle e il sistema nervoso.
Firme genetiche associate allo sviluppo della testa sono state rilevate in tutte le stelle marine, particolarmente concentrate nel centro della stella e nel centro di ciascun arto. Ma l’espressione genetica per le parti del tronco e della coda era in gran parte assente, rivelando che le stelle marine “presentano l’esempio più drammatico della separazione delle regioni della testa e del tronco che conosciamo oggi”, ha detto Formeri, che è anche un ricercatore del Chan. Zuckerberg BioHub, un’organizzazione di ricerca senza scopo di lucro con sede a San Francisco.
La ricerca è stata finanziata dal Chan Zuckerberg BioHub, co-fondato nel 2021 dalla dottoressa Priscilla Chan e Mark Zuckerberg, nonché dalla NASA, dalla National Science Foundation e dal Leverhulme Fund.
Laurent Forbery
I ricercatori hanno colorato il materiale genetico delle stelle marine con marcatori fluorescenti, consentendo agli scienziati di mappare il comportamento dei geni degli animali.
“Quando abbiamo confrontato l’espressione genetica nelle stelle marine con quella di altri gruppi di animali, come i vertebrati, sembrava che mancasse una parte importante della struttura corporea”, ha detto Thompson. “I geni normalmente coinvolti nella formazione del tronco dell’animale non sono espressi nell’ectoderma. L’intero piano corporeo degli echinodermi sembra essere più o meno equivalente alla testa di altri gruppi di animali.
Le stelle marine e altri echinodermi probabilmente svilupparono i loro piani corporei unici una volta che i loro antenati persero la regione del tronco, consentendo loro di muoversi e nutrirsi in modo diverso dagli altri animali.
“La nostra ricerca ci dice che la struttura corporea degli echinodermi si è evoluta in un modo più complesso di quanto pensassimo in precedenza, e c’è ancora molto da imparare su queste interessanti creature”, ha detto Thompson. “Come persona che ha studiato questi animali negli ultimi 10 anni, questi risultati hanno cambiato radicalmente il modo in cui penso a questo gruppo di animali.”
La ricerca sugli animali si rivolge principalmente a coloro che condividono somiglianze con gli esseri umani. Ma lo studio di gruppi come gli echinodermi potrebbe risolvere alcuni dei misteri più complessi sull’evoluzione della vita sulla Terra.
“La maggior parte degli animali non hanno un sistema nervoso straordinario e cacciano le loro prede là fuori. Sono animali umili che vivono in tane nell’oceano. Le persone generalmente non sono attratte da questi animali, ma probabilmente rappresentano l’inizio della vita “, ha detto Lowe.
Comprendere come si evolvono animali come le stelle marine può anche consentire di comprendere i diversi modi in cui le diverse specie mantengono la propria salute.
“È certamente difficile lavorare con organismi che non vengono studiati frequentemente”, il coautore dello studio Daniel Rokhsar, professore di genetica, genomica, evoluzione e sviluppo presso l’Università della California, Berkeley, e ricercatore presso il Chan Zuckerberg BioHub, detto in un comunicato.
“Ma se cogliamo l’opportunità di esplorare animali insoliti che funzionano in modi insoliti, significa che stiamo ampliando la nostra prospettiva sulla biologia, che alla fine ci aiuterà a risolvere i problemi ambientali e biomedici”.
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