Πώς καταλήξαμε να έχουμε χέρια και πόδια;

Οι επιστήμονες προσπαθούν να απαντήσουν από πού προέρχονται τελικά τα χέρια και τα πόδια μας

Είναι ένα ερώτημα που μπορεί να μην έχει απασχολήσει τους περισσότερους από εμάς, ωστόσο αποτελεί ένα μυστήριο για τους επιστήμονες: Από πού έχουν προέλθει τα άκρα μας; Μια νέα διεθνής ομάδα ερευνητών έρχεται τώρα να συμβάλει στην εύρεση της απάντησης ανακαλύπτοντας νέα στοιχεία που μπορούν να συμβάλουν στη λύση του αινίγματος.

Η δημιουργία των άκρων μας αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα εξελικτικά «μυστήρια», καθώς η εμφάνιση των χεριών και των ποδιών σηματοδοτεί ένα σημαντικό εξελικτικό βήμα.

«Αυτό έχει εξελιχθεί σε ένα κάπως αμφιλεγόμενο θέμα, μα είναι πραγματικά ένα θεμελιώδες ερώτημα για την εξελικτική βιολογία: Από πού προέρχονται τα άκρα μας;» λέει ένας εκ των ερευνητών, ο Κρις Μοσιμάν, PhD, αναπληρωτής καθηγητής και Johnson Chair στο Τμήμα Παιδιατρικής της Σχολής Ιατρικής του Πανεπιστημίου του Κολοράντο (CU) στο σχετικό επιστημονικό άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature.

Οι εξελικτικοί επιστήμονες προσπαθούν να δώσουν μια απάντηση στο ερώτημα αυτό για περισσότερα από 100 χρόνια. Το 1878 ο Γερμανός επιστήμονας Καρλ Γκεγκενμπάουρ είχε παρουσιάσει την υπόθεση πως τα ζεύγη πτερυγίων προέκυψαν από μια συγκεκριμένη «πηγή», την «αψίδα των βραγχίων» (gill arch), που συναντάται σε ψάρια και είναι απαραίτητη, για να υποστηρίζει τα βράγχιά τους. Άλλοι επιστήμονες προτιμούν μια άλλη θεωρία, αυτή του «Διπλώματος των Πλευρικών Πτερυγίων» (lateral fin fold hypothesis), βάσει της οποίας τα πλευρικά πτερύγια στο πάνω και το κάτω μέρος των ψαριών είναι η πηγή των ζευγών πτερυγίων.

«Είναι ένα θέμα έρευνας πάνω στο οποίο δουλεύουν πολλοί, επειδή αποτελεί μια μεγάλη διανοητική πρόκληση εδώ και πολύ καιρό» είπε ο Μοσιμάν. «Πολλά εργαστήρια έχουν μελετήσει τις διάφορες εκδοχές σχετικά με το πώς αναπτύχθηκαν τα άκρα μας και πώς εξελίχθηκαν στη συνέχεια», τονίζει. Μεταξύ αυτών των εργαστηρίων είναι και αυτό του Μοσιμάν και των συνεργατών του καθώς και των συν-συγγραφέων της έρευνας, του Τομ Κάρνεϊ και της ομάδας του στο τμήμα Φαρμακολογίας Λι Κονγκ Τσιάν στο Πανεπιστήμιο Νανιάνγκ της Σιγκαπούρης.

Για τον Μοσιμάν, η έρευνα σχετικά με την προέλευση των άκρων είναι παρακλάδι άλλων ερευνών στο εργαστήριό του. Η ομάδα του χρησιμοποιεί τα ψάρια ζέβρα ως μοντέλο για να κατανοήσουν της εξέλιξη από κύτταρα σε όργανα. Ο ίδιος και οι συνεργάτες του εξετάζουν το πώς τα κύτταρα αποφασίζουν την πορεία τους, αναζητώντας κατά κύριο λόγο εξηγήσεις ως προς το πώς η εξέλιξη μπορεί να ακολουθήσει λάθος πορεία, οδηγώντας σε γενετικές ανωμαλίες και κυρίως καρδιαγγειακές παθήσεις και ασθένειες των συνδετικών ιστών (αρθρίτιδα, ερυθηματώδης λύκος κλπ).

Τα παράξενα κύτταρα

Ο Μοσιμάν και οι συνεργάτες του παρατήρησαν πώς ένας «περίεργος» τύπος κυττάρου με χαρακτηριστικά κυττάρων συνδετικού ιστού, τα οποία ονομάζονται ινοβλάστες (και έχουν κοινά χαρακτηριστικά με τα καρδιαγγειακά κύτταρα), «μετανάστευσε» σε συγκεκριμένα πτερύγια των ψαριών όσο αυτά αναπτύσσονταν. Όπως προκύπτει, αυτά τα κύτταρα μπορούν να υποστηρίξουν μια σύνδεση μεταξύ των διαφόρων θεωριών για την εξέλιξη των άκρων.

«Πάντα ξέραμε ότι αυτά τα κύτταρα ήταν παράξενα» λέει ο Μοσιμάν. «Παρατηρήσαμε αυτά τα κύτταρα που έμοιαζαν με ινοβλάστες και πήγαν στο κοιλιακό πτερύγιο, το πτερύγιο που αναπτύσσεται στην κοιλιά του εμβρύου ψαριού ζέβρα. Παρόμοια κύτταρα ινοβλαστών δεν πήγαν σε άλλα πτερύγια εκτός από το θωρακικό πτερύγιο, που είναι το αντίστοιχο των χεριών. Οπότε συνεχίσαμε να παρατηρούμε αυτούς τους περίεργους ινοβλάστες, και δεν μπορούσαμε να βγάλουμε άκρη για το τι ήταν για πολλά χρόνια».

Το εργαστήριο του Μοσιμάν ανέπτυξε διάφορες τεχνικές για την παρακολούθηση της πορείας των κυττάρων κατά την ανάπτυξή τους. Αυτό έδωσε μια καλύτερη κατανόηση σχετικά με το πώς το εμβρυϊκό κυτταρικό στρώμα συμβάλλει στη διαμόρφωση πολλών οργάνων. Το στρώμα αυτό είναι γνωστό ως πλάγιο μεσόδερμα (lateral plate mesoderm) και σχηματίζεται στο έμβρυο περίπου στην 3^η με 4^η εβδομάδα κύησης. Το συγκεκριμένο στρώμα είναι η «πηγή» από την οποία διαμορφώνεται η καρδιά, τα αιμοφόρα αγγεία, τα νεφρά, ο συνδετικός ιστός καθώς και μεγάλα τμήματα των άκρων.

Τα ζεύγη πτερυγίων, που αποτελούν για τα ψάρια το αντίστοιχο των χεριών και των ποδιών μας, προκύπτουν από κύτταρα από αυτό το στρώμα, ενώ άλλα πτερύγια όχι. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα συγκεκριμένα αυτά πτερύγια κατέληξαν να γίνουν άκρα βρίσκεται στον πυρήνα της σχετικής συζήτησης.

Η Χάνα Μοράν, διδακτορική ερευνήτρια στο πρόγραμμα κυτταρικής βιολογίας, βλαστοκυττάρων και ανάπτυξης στο εργαστήριο του Μοσιμάν, τροποποίησε μια μέθοδο παρακολούθησης κυττάρων του εμβρυϊκού κυτταρικού στρώματος (πλάγιο μεσόδερμα), τα οποία συμβάλλουν στην ανάπτυξη της καρδιάς. Έτσι, οι επιστήμονες μπόρεσαν να παρακολουθήσουν τους «περίεργους» ινοβλάστες που συνδέονται με την ανάπτυξη των άκρων.

«Το κύριο ερευνητικό μου αντικείμενο εστιάζει στην ανάπτυξη της καρδιάς παρά στην ανάπτυξη των άκρων» είπε η Μοράν, προσθέτοντας πως «υπήρχε όμως μια γενετική τεχνική την οποία είχα προσαρμόσει για τη χαρτογράφηση των πρώιμων καρδιακών κυττάρων και έτσι ήμασταν σε θέση να την εφαρμόσουμε ώστε να εντοπίσουμε από πού ήρθαν τα μυστηριώδη κύτταρα του κοιλιακού πτερυγίου. Και αποδεικνύεται πως είναι επίσης από το πλάγιο μεσόδερμα».

Η ανακάλυψη αυτή παρέχει ένα νέο κομμάτι του «παζλ», για να αντιληφθούμε την ευρύτερη εικόνα του τρόπου με τον οποίο αναπτύχθηκαν τα χέρια και τα πόδια μας. Όλο και περισσότερα στοιχεία υποστηρίζουν την υπόθεση της εξέλιξης ζευγών άκρων που είναι γνωστή ως θεωρία διπλής προέλευσης (dual origin theory).

«Τα δεδομένα μας ταιριάζουν με αυτή τη συνδυαστική θεωρία, μα στέκονται και μόνα τους με τη θεωρία των πλευρικών πτερυγίων» είπε ο Ρόμπερτ Λαλόντε, μεταδιδακτορικός στο εργαστήριο του Μοσιμάν. «Ενώ τα ζεύγη άκρων προκύπτουν από το πλάγιο μεσόδερμα, αυτό δεν αποκλείει μια αρχαία σύνδεση με αζευγάρωτα, πλευρικά πτερύγια».

Παρατηρώντας τους μηχανισμούς της ανάπτυξης του εμβρύου και συγκρίνοντας την ανατομία των υπαρχόντων ειδών, ερευνητικές ομάδες όπως του Μοσιμάν μπορούν να αναπτύξουν θεωρίες σχετικά με το πώς οι εμβρυϊκές δομές μπορεί να αναπτύχθηκαν ή να άλλαξαν στο πέρασμα του χρόνου.

«Το έμβρυο έχει χαρακτηριστικά από αρχαία απομεινάρια που δεν έχουν χαθεί τελείως. Έτσι, μας παρέχουν στοιχεία για το πώς έχουν εξελιχθεί τα ζώα», είπε ο Μοσιμάν. «Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το έμβρυο, για να μάθουμε περισσότερα για χαρακτηριστικά που υπάρχουν και σήμερα, επιτρέποντάς μας να ταξιδέψουμε κατά κάποιον τρόπο πίσω στον χρόνο» σημείωσε. «Βλέπουμε ότι το σώμα έχει μια θεμελιώδη, εγγενή τάση να σχηματίζει διμερείς, αμφίπλευρες δομές. Η μελέτη μας παρέχει ένα μοριακό και γενετικό κομμάτι του παζλ για να ανακαλύψουμε το πώς καταλήξαμε να έχουμε άκρα. Προσθέτει νέα στοιχεία σε αυτή τη συζήτηση των 100 και πλέον ετών, καθώς τώρα έχουμε και μοριακές γνώσεις».

Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα πολλά βήματα να γίνουν για να βρεθεί η τελική απάντηση: «Δεν θα έλεγα ότι λύσαμε το ερώτημα ή ότι απορρίψαμε κάποια από τις υπάρχουσες θεωρίες», λέει ο Λαλόντε. «Περισσότερο θεωρώ ότι συνεισφέραμε στη συζήτηση με σημαντικά δεδομένα για βρεθεί η απάντηση σε ένα σημαντικό εξελικτικό ερώτημα».