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Strange Findings on Comb Jellies Uproot Animal Family Tree
Complete sequence of comb jelly genome reveals a separate course of evolution.
Photo of a comb jelly in the Chesapeake Bay in Virginia.
The new study on ctenophores, such as the American comb jelly above, "really shakes up how we think animal complexity evolved."
PHOTOGRAPH BY GEORGE GRALL, NATIONAL GEOGRAPHIC CREATIVE
Carl Zimmer
for National Geographic
Published May 21, 2014
A close look at the nervous system of the gorgeously iridescent animal known as the comb jelly has led a team of scientists to propose a new evolutionary history: one for the comb jelly, and one for everybody else.
"It's a paradox," said Leonid Moroz, a neurobiologist at the University of Florida in Gainesville and lead author of a paper in today's Nature about the biology of the comb jelly nervous system. "These are animals with a complex nervous system, but they basically use a completely different chemical language" from every other animal. "You have to explain it one way or another."
The way Moroz explains it is with an evolutionary scenario—one that's at odds with traditional accounts of animal evolution.
Moroz and his colleagues have been studying comb jellies, whose scientific name is ctenophores (pronounced TEN-o-fors), for many years, beginning with the sequencing of the genome of one species, the Pacific sea gooseberry, in 2007. The sea gooseberry has 19,523 genes, about the same number as are found in the human genome.
The scientists enlarged their library to the genes of ten other species of comb jelly (out of the 150 or so species known to exist) and compared them to the analogous genes in other animals. And when they looked at the genes involved in the nervous system, they found that many considered essential for the development and function of neurons were simply missing in the comb jelly.
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Some of those missing genes are involved in building neurons in embryos. The cells in any animal start out in the embryo as stem cells, looking pretty much identical to one another and capable of turning into any particular type of cell. Only later in embryonic development do some stem cells switch on specific genes that transform them into neurons. This process is much the same in humans as it is in flies, slugs, and just about every other animal with a nervous system.
But comb jellies, Moroz and his colleagues found, lack those neuron-building genes altogether. Which means that comb jelly embryos must build their neurons from a different set of instructions—instructions no one yet understands.
Nor do comb jellies use the standard complement of neurotransmitters found in other animals, the scientists found. The genes for most of the neurotransmitters in other animals are either missing or silent in the comb jelly—except for one, the gene for the neurotransmitter glutamate. No wonder Moroz likes to call these creatures "aliens of the sea."
Instead of the typical neurotransmitter genes, the scientists found, comb jellies produce a huge diversity of receptors on the surface of their neurons. Moroz can't say yet what the receptors are doing there, but he says they're probably grabbing neurotransmitters, maybe as many as 50 to 100 neurotransmitters in all (comparable to the number of neurotransmitters in the human brain).
Rewriting Evolutionary History
The unique nature of the comb jelly nervous system led the Florida scientists to hypothesize a new evolutionary history for these marine animals, which they laid out in the Nature paper. The earliest animals, according to this new theory, had no nervous system at all. The cells of these early animals could sense their environment directly, and could send signals directly to neighboring cells.
Millions of years later, those signals and receptors became the raw material for the nervous system. But its evolution, according to Moroz, took place in two separate lineages. One led to today's ctenophores. The other led to all other animals with nervous systems—from jellyfish to us.
If there was indeed a parallel evolution with two separate lineages, the split would have happened long ago. Fossils that look a lot like modern-day ctenophores date back some 550 million years, making them among the oldest traces of complex animal life.
But precisely how and when the comb jelly split off from other animal lineages remains controversial. To draw the animal evolutionary tree, Moroz and his colleagues analyzed the similarity of DNA in different species. According to the authors, ctenophores belong to a lineage all their own that split off from the others at the tree's base.
Photo of a comb jelly in the Monterey Bay Aquarium.
Comb jellies, like this one at Monterey Bay Aquarium, California, are missing many genes considered essential for the development and function of neurons.
PHOTOGRAPH BY GEORGE GRALL, NATIONAL GEOGRAPHIC CREATIVE
In finding that relationship, the new paper confirms the findings of a team led by Andy Baxevanis, head of the Computational Genomics Unit at the National Human Genome Research Institute, who arrived at a similar conclusion in December after sequencing the genome of another ctenophore species, the American comb jelly (Mnemiopsis leidyi). "You couldn't ask for a better outcome," he said about Moroz's research. "It really shakes up how we think animal complexity evolved."
Gert Woerheide, an evolutionary geobiologist at Ludwig-Maximilians-Universität in Munich, who was not involved in the research, agreed that Moroz and his colleagues have made a thorough case for their revised view of brain evolution. "I think, in this respect, this is a great paper," he said.
But in terms of the actual shape of the animal family tree, Woerheide is less convinced. He isn't sure that comb jellies branched off at the base of the tree, he said; sponges, for example, might have branched off first. In Woerheide's view, the exact reconstruction of the tree reaching so far back in evolutionary history remains an open question.
No matter how the nervous systems of comb jellies evolved, though, everyone agrees that they are weird—and thus worth getting to know better. As Casey Dunn, an evolutionary biologist at Brown University in Providence, Rhode Island, who was not involved in the research, pointed out, comb jellies are turning out to be "even more different from other animals than had previously been appreciated."
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Des résultats étranges sur les Cténophores renversent l'Arbre généalogique [évolutionniste] des animaux
La séquence complète du génome de peigne de gelée révèle un cours distinct de l'évolution.
Photo d'une méduse dans la baie de Chesapeake, en Virginie.
La nouvelle étude sur les cténophores, comme la méduse américaine ci-dessus, "secoue vraiment comment nous pensons complexité animal a évolué."
PHOTOGRAPHIE PAR GEORGE GRALL, NATIONAL GEOGRAPHIC CREATIVE
Carl Zimmer
pour National Geographic
Publié le 21 mai 2014
Un regard attentif sur le système nerveux de l'animal magnifiquement irisé connu comme la gelée de peigne a dirigé une équipe de scientifiques de proposer une nouvelle histoire de l'évolution: l'un pour la gelée de peigne, et une pour tout le monde.
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"C'est un paradoxe», a déclaré Leonid Moroz, neurobiologiste à l'Université de Floride à Gainesville et auteur principal d'un article dans la Nature d'aujourd'hui sur la biologie du système nerveux du Cténophore. "Ce sont des animaux avec un système nerveux complexe, mais ils utilisent essentiellement un langage chimique complètement différente" de tous les autres animaux. «Il faut expliquer d'une façon ou d'une autre."
La façon Moroz explique c'est avec un scénario évolutionniste qui est en contradiction avec les récits traditionnels de l'évolution animale.
Moroz et ses collègues ont étudié Cnétophores, dont le nom scientifique est cténophores (prononcé RTE-o-fors), depuis de nombreuses années, en commençant par le séquençage du génome d'une espèce, le maquereau de la mer du Pacifique, en 2007. L'groseille de mer a 19 523 gènes, soit environ le même nombre que l'on trouve dans le génome humain.
Les scientifiques agrandies leur bibliothèque pour les gènes de dix autres espèces de méduse (sur les quelque 150 espèces connues d'exister) et les a comparés aux gènes analogues chez d'autres animaux. Et quand ils ont regardé les gènes impliqués dans le système nerveux, ils ont constaté que beaucoup considéraient comme essentiel pour le développement et la fonction des neurones ont été tout simplement absentes de la gelée de peigne.
Vidéo : Killers néon
Certains de ces gènes manquants sont impliqués dans la construction de neurones d'embryons. Les cellules dans tous les animaux commencent dans l'embryon en tant que cellules souches, à la recherche à peu près identiques entre elles et capable de se transformer en un type particulier de cellule. C'est seulement plus tard dans le développement embryonnaire ne certaines cellules souches passent sur des gènes spécifiques qui les transforment en neurones. Ce processus est sensiblement le même chez l'homme comme il est en vol, les limaces, et à peu près tous les autres animaux avec un système nerveux.
Mais Cnétophores, Moroz et ses collègues ont constaté, n'ont pas tout à fait les gènes des neurones construction. Ce qui signifie que les embryons peigne de gelée doivent construire leurs neurones à partir d'un ensemble différent d'instructions-instructions personne ne comprend encore.
Ni ne Cnétophores utilisent le complément niveau de neurotransmetteurs présents dans d'autres animaux, les scientifiques ont découvert. Les gènes pour la plupart des neurotransmetteurs dans les autres animaux sont manquant ou silencieux dans le peigne gélatineuse sauf un, le gène pour le neurotransmetteur glutamate. Pas étonnant Moroz aime à appeler ces créatures "extraterrestres de la mer».
A la place des gènes typiques de neurotransmetteurs, les scientifiques ont découvert, groseilles de produire une grande diversité de récepteurs à la surface des neurones. Moroz ne peut pas encore dire ce que les récepteurs font là, mais il dit qu'ils sont probablement saisissant neurotransmetteurs, peut-être autant que 50 à 100 neurotransmetteurs dans tous (comparable au nombre de neurotransmetteurs dans le cerveau humain).
Réécrire l'Histoire Évolutionniste
La nature unique du système nerveux deszs Cténophores a conduit les scientifiques de Floride à émettre l'hypothèse d'une nouvelle histoire de l'évolution de ces animaux marins, qu'ils avaient posés dans l'article de Nature. Les premiers animaux, selon cette nouvelle théorie, n'avaient pas le système nerveux du tout. Les cellules de ces animaux pouvaient détecter début de leur environnement direct, et peuvent envoyer des signaux directement vers les cellules voisines.
Des millions d'années plus tard, ces signaux et les récepteurs sont devenues la matière première pour le système nerveux. Mais son évolution, selon Moroz, a eu lieu en deux lignées distinctes. Un conduit à des cténophores d'aujourd'hui. L'autre conduit à tous les autres animaux avec les systèmes nerveux : depuis les méduses jusqu'à nous.
Si il y avait en effet une évolution parallèle de deux lignées distinctes, la scission qui se serait passé il ya longtemps. Fossiles qui ressemblent beaucoup cténophores modernes remontent à quelque 550 millions d'années, ce qui en fait parmi les plus anciennes traces de vie animale complexe.
Mais précisément comment et quand les Cténophores ont fait scission vis à vis des autres lignées d'animaux reste controversée. Pour attirer l'arbre de l'évolution animale, Moroz et ses collègues ont analysé la similitude de l'ADN chez les différentes espèces. Selon les auteurs, les cténophores appartiennent à une lignée qui leur est propre qui s'est séparée des autres à la base de l'arbre.
Photo d'une méduse dans l'aquarium de Monterey Bay.
Cnétophores, comme celui-ci au Monterey Bay Aquarium, en Californie, sont absents de nombreux gènes considérés comme essentiels pour le développement et la fonction des neurones.
PHOTOGRAPHIE PAR GEORGE GRALL, NATIONAL GEOGRAPHIC CREATIVE
En concluant cette relation, la nouvelle étude confirme les résultats d'une équipe dirigée par Andy Baxevanis, chef de l'unité de calcul génomique à l'Institut National Human Genome Research, qui est arrivé à une conclusion similaire en Décembre après le séquençage du génome d'une autre espèce cténophore, le Mnemiopsis leidyi. "On ne pouvait pas demander un meilleur résultat", a-t-il dit à propos de la recherche de Moroz. "Cela secoue vraiment comment nous pensons comment la complexité des animaaux a évolué."
Gert Woerheide, un géobiologue évolution à la Ludwig-Maximilians-Universität de Munich, qui n'était pas impliqué dans la recherche, a convenu que Moroz et ses collègues ont fait un cas approfondie de leur vue révisée de l'évolution du cerveau. «Je pense, à cet égard, c'est un grand papier,» dit-il.
Mais en termes de la forme réelle de l'arbre de la famille des animaux, Woerheide est moins convaincu. Il n'est pas sûr que Cnétophores bifurquèrent à la base de l'arbre, dit-il; éponges, par exemple, peuvent avoir bifurqué en premier. De l'avis de Woerheide, la reconstruction exacte de l'arbre atteignant si loin en arrière dans l'histoire évolutive reste une question ouverte.
Peu importe la façon dont les systèmes nerveux de Cnétophores évolué, cependant, tout le monde s'accorde à dire qu'ils sont bizarres et donc la peine de se mieux connaître. Comme Casey Dunn, un biologiste évolutionniste à l'Université Brown à Providence, Rhode Island, qui n'était pas impliqué dans la recherche, a souligné, Cnétophores sont en passe de devenir "encore plus différent des autres animaux que ce qui avait été déjà apprécié."
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