Informatie

2.4: Het menselijke dier - biologie


"Nichten en neven"

In vergelijking met alle dieren zijn dit kind en de aap praktisch 'neven'. Van genen tot morfologie tot gedrag, ze lijken in veel opzichten op elkaar. Dat komt omdat ze allebei primaten zijn en een evolutionair verleden delen.

Hoe mensen worden geclassificeerd

Je weet waarschijnlijk dat de moderne mens tot de soort behoort Homo sapiens. Maar wat is onze plek in de natuur? Hoe worden onze soorten ingedeeld? Een eenvoudige classificatie wordt weergegeven in figuur (PageIndex{2}). Mensen kunnen zelfstandig bewegen en worden in het dierenrijk geplaatst. Verder behoren mensen tot de dierlijke stam die bekend staat als chordaten omdat we een ruggengraat hebben. Het menselijk dier heeft haar en melkklieren, dus we worden in de klasse van zoogdieren geplaatst. Binnen de zoogdierklasse worden mensen in de primatenvolgorde geplaatst.

Mensen als primaten

Levende leden van de primatenorde omvatten apen, apen en mensen; en elk lid van deze orde van zoogdieren wordt a . genoemd primaat. Ergens in het verre verleden deelden we aapachtige voorouders met al deze moderne groepen primaten. We delen tussen 93 procent en bijna 99 procent van onze DNA-sequenties met hen, wat hard bewijs levert dat we relatief recente gemeenschappelijke voorouders hebben. Welke eigenschappen delen we naast genen met andere primaten? Primaten worden beschouwd als generalisten onder zoogdieren. EEN generalist is een organisme dat kan gedijen in een grote verscheidenheid aan omgevingsomstandigheden en gebruik kan maken van een verscheidenheid aan verschillende bronnen, zoals het consumeren van veel verschillende soorten voedsel. Hoewel primaten een breed scala aan kenmerken vertonen, zijn er verschillende eigenschappen die door de meeste primaten worden gedeeld.

Eigenschappen van primaten

Primaten hebben vijf cijfers (vingers of tenen) aan elke extremiteit (hand of voet). De vingers en tenen hebben spijkers in plaats van klauwen en zijn bedekt met gevoelige tastkussentjes. De duimen (en bij veel soorten ook de grote tenen) zijn opponeerbaar, wat betekent dat ze in oppositie kunnen worden gebracht met de andere vingers, waardoor zowel een krachtige greep als een precisiegreep mogelijk is. Je kunt deze kenmerken van de ledematen van de primaten zien in de hieronder afgebeelde kapucijnaap.

Het lichaam van primaten is over het algemeen half rechtopstaand of rechtopstaand, en primaten hebben een van de verschillende manieren van voortbewegen, waaronder lopen op alle vier de benen (quadrupedalisme), verticaal vastklampen en springen, slingeren van tak naar tak in bomen (brachiatie) of lopen twee benen (bipedalisme), waarvan de laatste alleen van toepassing is op onze eigen soort van vandaag. De schoudergordel van de primaat heeft een sleutelbeen (sleutelbeen), dat wordt geassocieerd met een breed bewegingsbereik van de bovenste ledematen.

In vergelijking met andere zoogdieren zijn primaten minder afhankelijk van hun reukvermogen. Ze hebben een verminderde snuit en een relatief klein gebied in de hersenen voor het verwerken van olfactorische (geur) informatie. Primaten vertrouwen meer op hun gezichtsvermogen, dat verschillende verbeteringen laat zien ten opzichte van dat van andere zoogdieren. De meeste primaten kunnen in kleur zien. Primaten hebben ook de neiging om grote ogen te hebben met naar voren gerichte plaatsing in een relatief vlak gezicht. Dit resulteert in een overlap van de gezichtsvelden van de twee ogen, waardoor stereoscopisch zicht of driedimensionaal zicht mogelijk wordt. Andere aanwijzingen voor het belang van het gezichtsvermogen voor primaten zijn de bescherming die aan de ogen wordt gegeven door een volledig benige oogkas en de grote omvang van de achterhoofdskwab van de hersenen waar visuele informatie wordt verwerkt.

Primaten staan ​​bekend om hun relatief grote hersenen, hoge mate van intelligentie en complex gedrag. Het deel van de hersenen dat vooral bij primaten vergroot is, is de grote hersenen, die sensorische informatie analyseert en synthetiseert en deze omzet in motorisch gedrag dat past bij de omgeving. Primaten hebben over het algemeen een langere levensduur dan de meeste andere zoogdieren. In het bijzonder is er een verlenging van de prenatale periode en de postnatale periode van afhankelijkheid van zuigelingen van volwassenen, waardoor jongeren meer leermogelijkheden krijgen. De meeste primaten leven in sociale groepen. In feite behoren primaten tot de meest sociale dieren. Afhankelijk van de soort kunnen volwassen niet-menselijke primaten in paren of in groepen van maximaal honderden leden leven.

Leven in de bomen

Wetenschappers denken dat veel eigenschappen van primaten aanpassingen zijn aan een boom- of boombewonende levensstijl. Men denkt dat primaten in bomen zijn geëvolueerd en de meerderheid van de primaten leeft nog steeds in bomen. Voor het leven in de bomen overtreft het gezichtsvermogen het reukvermogen, en driedimensionaal zien is vooral belangrijk voor het grijpen van de volgende tak of ledemaat. Het hebben van beweeglijke ledematen, een goede grip en handvaardigheid zijn zaken van leven en dood als men hoog boven de grond leeft. Hoewel sommige moderne primaten voornamelijk terrestrisch zijn (op de grond) in plaats van in bomen, hebben alle primaten aanpassingen voor het leven in de bomen.

Figuur (PageIndex{4}) toont de huidige verspreiding van niet-menselijke primaten over de hele wereld. Tropische bossen in Midden- en Zuid-Amerika zijn de thuisbasis van vele soorten apen, waaronder de hierboven afgebeelde kapucijnaap. In de tropische wouden van de Oude Wereld in Afrika en Azië leven veel andere soorten apen, waaronder de krab-etende makaak die hierboven is afgebeeld, evenals alle moderne apen.

Mensen als hominiden

Wie zijn onze naaste verwanten in de orde van de primaten? We zijn geplaatst in de familie genaamd Hominidae. Elk lid van deze familie heet a mensachtige. Hominiden omvatten vier levende geslachten: chimpansees, gorilla's, orang-oetans en mensen. Onder deze vier geslachten bevinden zich slechts zeven levende soorten: twee in elke geslachten behalve mensen, met onze enige levende soort, Homo sapiens. De orang-oetan-moeder afgebeeld in figuur (PageIndex{5}) die haar kind wiegt, laat zien hoe deze mensachtigen op ons lijken.

Hominiden zijn relatief grote, staartloze primaten, variërend in grootte van de bonobo of pygmee chimpansee, die slechts 30 kg (66 lb) kan wegen, tot de oostelijke gorilla, die meer dan 200 kg (440 lb) kan wegen. De meeste moderne mensen vallen ergens tussen dat bereik. Bij alle soorten mensachtigen zijn mannetjes gemiddeld iets groter en sterker dan vrouwtjes, maar de verschillen zijn misschien niet groot. Behalve mensen zijn mensachtigen voornamelijk viervoetig, hoewel ze indien nodig tweevoetig kunnen rondlopen om voedsel of nestmateriaal te verzamelen. Mensen zijn de enige gewoonlijk tweevoetige soorten levende mensachtigen.

Het menselijke geslacht

Binnen de hominidenfamilie wordt onze soort in het geslacht geplaatst Homo. onze soort, homo sapiens, is de enige levende soort in dit geslacht. Verschillende eerdere soorten Homo bestonden maar zijn sindsdien uitgestorven, inclusief de soort Homo erectus. Een kunstenaarsreconstructie van een homo erectus individu wordt getoond in figuur (PageIndex{6}).

Ongeveer 2,8 miljoen jaar geleden, vroeg Homo soorten zoals homo erectus waren waarschijnlijk bijna net zo efficiënt in tweevoetige voortbeweging als moderne mensen. In vergelijking met viervoetige primaten hadden ze een breder bekken, langere benen en gewelfde voeten. Vanaf de nek waren ze echter nog steeds heel anders dan wij. Ze hadden meestal grotere kaken en tanden, een schuin voorhoofd en relatief kleine hersenen.

Homo sapiens

Gedurende de ongeveer 2,8 miljoen jaar van de evolutie van de Homo geslacht, de overige kenmerken van Homo sapiens geëvolueerd. Deze functies omvatten:

  • kleine voortanden (snijtanden en hoektanden) met relatief grote kiezen, althans in vergelijking met andere primaten.
  • een afname van de grootte van de kaken en het gezicht, en een toename van de grootte van de schedel, waardoor een bijna verticaal voorhoofd wordt gevormd.
  • een enorme vergroting van de hersenen, vooral in de grote hersenen, waar hogere intellectuele functies plaatsvinden.

De toename van de hersenomvang vond zeer snel plaats voor zover evolutionaire verandering gaat, tussen ongeveer 800.000 en 100.000 jaar geleden. Gedurende deze periode nam de grootte van de hersenen toe van ongeveer 600 cm3 tot ongeveer 1400 cm3 en de vroegste Homo sapiens verscheen. Dit was ook een periode van snelle klimaatverandering, en veel wetenschappers denken dat klimaatverandering een belangrijke impuls was voor de evolutie van een groter, complexer brein. In deze visie, toen de omgeving onvoorspelbaarder werd, hielpen grotere, "slimmere" hersenen onze voorouders om te overleven. Parallel aan de biologische evolutie van de hersenen was de ontwikkeling van cultuur en technologie als gedragsaanpassingen voor het exploiteren van de omgeving. Door deze ontwikkelingen, mogelijk gemaakt door een groot brein, konden moderne mensen en hun recente voorouders vrijwel de hele wereld bezetten en de dominante landdieren worden.

onze soort Homo sapiens is de meest recente versie van het basislichaamsplan van primaten. Vanwege ons grote, complexe brein hebben we duidelijk een veel groter vermogen tot abstract denken en technologische vooruitgang dan welke andere primaat dan ook, zelfs chimpansees die onze naaste levende verwanten zijn. Het is echter belangrijk om te erkennen dat we op andere manieren niet zo bedreven zijn als andere levende mensachtigen over de hele wereld. We zijn fysiek zwakker dan gorilla's, veel minder behendige orang-oetans en aantoonbaar minder welgemanierd dan bonobo's.

Mogelijkheid: Menselijke biologie in het nieuws

Stel je voor dat je door een zeven-inch spleet in de rots knijpt om een ​​volledig donkere grot binnen te gaan vol met heel veel oude botten. Het klinkt misschien als een nachtmerrie voor de meeste mensen, maar het was een noodzakelijk onderdeel van een recente verkenning van de menselijke oorsprong in Zuid-Afrika, zoals gerapporteerd in de New York Times in september 2015. De grot en zijn botten werden in 2013 voor het eerst ontdekt door spelunkers, die het aan paleontologen rapporteerden. Een internationaal onderzoeksproject werd al snel gelanceerd om de grot te verkennen. De onderzoekers zouden uiteindelijk concluderen dat de grot een schuilplaats was voor de doden van een voorheen onbekende vroege soort Homo, wie ze de naam gaven? Homo naledi. Leden van deze soort leefden ongeveer 2,5 tot 2,8 miljoen jaar geleden in Zuid-Afrika.

homo naledi individuen waren ongeveer 5 voet lang en wogen ongeveer 100 pond, dus ze hadden waarschijnlijk geen moeite om in de grot te knijpen. De moderne mens is gemiddeld aanzienlijk groter. Om de gefossiliseerde botten uit de grot te halen, moesten zes zeer slanke vrouwelijke onderzoekers op sociale media worden gevonden. Zij waren de enigen die door de spleet konden om toegang te krijgen tot de grot. Het werk was zwaar en gevaarlijk, maar ook ongelooflijk spannend. De site vormt een van de grootste monsters voor vroeg uitgestorven Homo soorten waar ook ter wereld, en de fossielen vertegenwoordigen een geheel nieuwe soort van dat geslacht. De site suggereert ook dat vroege leden van ons geslacht hun doden opzettelijk op een afgelegen plaats deponeerden. Vroeger dacht men dat dit gedrag beperkt was tot latere mensen.

Net als andere vroege Homo soort, homo naledi vertoont een mozaïek van oude en moderne trekken. Vanaf de nek waren deze vroege mensachtigen goed aangepast om rechtop te lopen. Hun voeten waren vrijwel niet te onderscheiden van moderne menselijke voeten (zie afbeelding hieronder), en hun benen waren ook lang zoals die van ons. homo naledi had relatief kleine voortanden maar ook een klein brein, niet groter dan een gemiddelde sinaasappel. Het is duidelijk dat de spurt in hersengroei in Homo kwam bij deze soort niet voor.

Bekijk het nieuws voor meer spannende updates over deze vroege soort van ons geslacht. Paleotontolgen die de grotsite onderzoeken, schatten dat er nog honderden, zo niet duizenden gefossiliseerde botten in de grot zijn. Er zullen zeker nog veel meer ontdekkingen worden gerapporteerd in de nieuwsmedia over deze uitgestorvene Homo soort.

Beoordeling

  1. Geef aan hoe mensen worden ingedeeld. Noem hun taxa, beginnend met het koninkrijk en eindigend met de soort.
  2. Noem een ​​aantal kenmerken van primaten. Leg uit hoe ze verband houden met het leven in de bomen.
  3. Wat zijn hominiden? Beschrijf hoe levende mensachtigen worden ingedeeld.
  4. Bespreek soorten in het geslacht Homo.
  5. Breng klimaatveranderingen in verband met de evolutie van het geslacht Homo in de afgelopen miljoen jaar.
  6. Wat is de betekenis van het feit dat we 93 tot 99 procent van onze DNA-sequentie delen met andere primaten?
  7. Met welke soort denk je dat we meer kans hebben om een ​​grotere hoeveelheid DNA-sequentie te delen met - niet-primaire zoogdieren of niet-zoogdierachtige chordaten? Leg je antwoord uit.
  8. Wat is de relatie tussen gedeeld DNA en gedeelde eigenschappen?
  9. In vergelijking met andere zoogdieren hebben primaten een relatief klein deel van hun hersenen dat zich toelegt op olfactorische verwerking. Wat zegt dit over het reukvermogen van primaten in vergelijking met andere zoogdieren? Waarom?
  10. Het deel van de hersenen bij primaten dat speciaal is vergroot, is het:
    1. grote hersenen
    2. cerebellum
    3. sleutelbeen
    4. hersenstam
  11. Waarom denk je dat het interessant is dat niet-menselijke primaten gereedschap kunnen gebruiken?
  12. Waar of niet waar. Alle primaten zijn voornamelijk quadrupedal.
  13. Waar of niet waar. homo erectus behoorde tot dezelfde familie als de moderne mens.
  14. Waar of niet waar. Mensen zijn in alle opzichten superieur aan andere primaten.
  15. Leg uit waarom de ontdekking van homo naledi was spannend.

Attributies

  1. Kind en aap, publiek domein via piqsels
  2. Menselijke taxonomie door Suzanne Wakim gewijd aan het publieke domein is gebaseerd op biologische classificatie door Peter Halasz, publiek domein via Wikimedia Commons
  3. White-fronted Capuchi Monkey door WolfmanSF, gelicentieerd CC BY 2.5 via Wikimedia Commons
  4. Niet-menselijke primatenreeks door Jackhynes gewijd aan het publieke domein via Wikimedia Commons
  5. Orang-oetan moeder en baby door Bonnie U. Gruenberg, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons
  6. Homo erectus door Ryan Somma, CC BY-SA 2.0 via Flickr
  7. Voet van Homo naledi door W.E.H. Harcourt-Smith, Z. Throckmorton, K.A. Congdon, B. Zipfel, A.S. Deane, M.M. Drapeau, S. Churchill, L.R. Berger & J. DeSilva,
  8. Gelicentieerde CC BY 4.0 via Wikimedia Commons
  9. Tekst aangepast van Human Biology door CK-12 licentie CC BY-NC 3.0

Effecten van 2,4 GHz radiofrequente straling uitgezonden door wifi-apparatuur op microRNA-expressie in hersenweefsel

Doel: MicroRNA's (miRNA) spelen een cruciale rol bij groei, differentiatie, proliferatie en celdood door een of meer doelwitgenen te onderdrukken. Hun interactie met radiofrequenties is echter nog onbekend. Het doel van deze studie was om de langetermijneffecten te onderzoeken van radiofrequente straling uitgezonden door een Wireless Fidelity (Wi-Fi) -systeem op een deel van het miRNA in hersenweefsel.

Materialen en methodes: De studie werd uitgevoerd op 16 volwassen mannelijke Wistar Albino-ratten door ze te verdelen in twee groepen, zoals schijnvertoning (n = 8) en blootstelling (n = 8). Ratten in de blootstellingsgroep werden gedurende 12 maanden (een jaar) 24 uur per dag blootgesteld aan 2,4 GHz radiofrequente (RF) straling. Dezelfde procedure werd toegepast op de ratten in de schijngroep, behalve dat het wifi-systeem was uitgeschakeld. Onmiddellijk na de laatste blootstelling werden ratten opgeofferd en werden hun hersenen verwijderd. miR-9-5p, miR-29a-3p, miR-106b-5p, miR-107, miR-125a-3p in de hersenen werden in detail onderzocht.

Resultaten: De resultaten toonden aan dat langdurige blootstelling aan 2,4 GHz wifi-straling de expressie van sommige van de miRNA's, zoals miR-106b-5p (adj p* = 0.010) en miR-107 (adj p* = 0.005), kan veranderen. We hebben waargenomen dat de expressie van mir 107 3,3 keer is en dat de expressie van miR-106b-5p 3,65 keer lager is in de blootstellingsgroep dan in de controlegroep. De miR-9-5p-, miR-29a-3p- en miR-125a-3p-niveaus in de hersenen waren echter niet veranderd.

Conclusie: Langdurige blootstelling aan 2,4 GHz RF kan leiden tot nadelige effecten zoals neurodegeneratieve ziekten die voortkomen uit de wijziging van sommige miRNA-expressie en er moeten meer studies worden gewijd aan de effecten van RF-straling op miRNA-expressieniveaus.

trefwoorden: 2,4 GHz radiofrequentie Wi-Fi ziekten elektromagnetische velden miRNA in de hersenen.


De oorsprong van dieren: een voorouderlijke reconstructie van de eencellige naar meercellige overgang

Hoe dieren evolueerden van een eencellige voorouder, overgaand van een eencellige levensstijl naar een gecoördineerde meercellige entiteit, blijft een fascinerende vraag. De belangrijkste gebeurtenissen in deze transitie waren de opkomst van processen die verband houden met celadhesie, cel-celcommunicatie en genregulatie. Om te begrijpen hoe deze capaciteiten zijn geëvolueerd, moeten we de kenmerken van zowel de laatste gemeenschappelijke meercellige voorouder van dieren als de laatste eencellige voorouder van dieren reconstrueren. In deze review vatten we recente vorderingen samen in de karakterisering van deze voorouders, afgeleid door vergelijkende genomische analyses tussen de vroegst vertakte dieren en die later uitstralen, en tussen dieren en hun naaste eencellige verwanten. We bieden ook een bijgewerkte hypothese met betrekking tot de overgang naar multicellulariteit van dieren, die waarschijnlijk geleidelijk was en waarbij gebruik werd gemaakt van genregulerende mechanismen bij de opkomst van vroege ontwikkelings- en morfogenetische plannen. Tot slot bespreken we enkele nieuwe onderzoekspistes die deze studies in de komende jaren zullen aanvullen.

1. Een overzicht van dierlijke oorsprong

Dieren (Metazoa) behoren tot de belangrijkste groepen van complexe meercellige organismen. Ze vertrouwen op een grote verscheidenheid aan gedifferentieerde celtypen die ruimtelijk zijn georganiseerd binnen fysiologische systemen. Tegelijkertijd voeren dierlijke cellen gespecialiseerde functies uit en ontwikkelden zo het vermogen om ze te integreren en te coördineren met behulp van strak gereguleerde ontwikkelingsprogramma's. We weten echter nog steeds niet welke genetische en mechanistische factoren ten grondslag lagen aan de oorsprong en evolutie van multicellulariteit van dieren.

Alle bestaande dieren die vandaag de dag leven, zijn gediversifieerd van een gemeenschappelijke meercellige voorouder, ook bekend als de laatste gemeenschappelijke voorouder (LCA) van dieren of de dierlijke LCA (box 1). De dierlijke LCA evolueerde meer dan 600 miljoen jaar geleden van een eencellige voorouder (Ma), en ging over van een eencellige voorouderlijke staat naar complexe multicellulariteit (kader 1, figuur 1een). Door de aard van deze twee voorouderlijke toestanden te vergelijken - de laatste eencellige voorouder en de dierlijke LCA - kunnen we de belangrijkste veranderingen blootleggen die de overgang naar dierlijke meercelligheid hebben veroorzaakt en nieuwe, toetsbare hypothesen over de oorsprong van dieren creëren. De vragen zijn dan: hoe waren deze twee dierlijke voorouders? Was de laatste eencellige voorouder heel eenvoudig, of was hij behoorlijk complex, en legde hij de basis voor celdifferentiatie en meercelligheid? En hoe zag de LCA van het dier eruit? Was het eenvoudig, geleidelijk nieuwe ontwikkelingscapaciteiten verwerven en tegelijkertijd diversifiëren in verschillende lichaamsplannen, of was het al complex, de genetische voorwaarden creërend voor een succesvolle diversificatie van dieren?

Figuur 1. Fylogenetische classificatie van dieren en hun eencellige verwanten. (een) Een tijdlijn van verschillende gebeurtenissen tijdens de vroege evolutie van dieren. De overgang naar multicellulariteit van dieren, en daarmee de oorsprong van de eerste dieren, vond ergens aan het einde van de Toniaanse periode plaats, volgens schattingen van de moleculaire klok.Het oudste fossiele of geologische bewijs van herkenbare dieren dateert uit de Ediacaran-periode, met moleculaire klokken die de opkomst van verschillende dierlijke phyla verlengen tot aan de cryogenian [15-17]. Tijdseenheden zijn miljoen jaar geleden (Ma). (B) Cladogram dat de belangrijkste clades van de boom van dieren en de belangrijkste groepen eencellige verwanten van dieren vertegenwoordigt: choanoflagellaten, filastereans, ichthyosporeans en corallochytreans/pluriformeans. Gekleurde knopen geven verschillende voorouders aan die we kunnen reconstrueren en die belangrijk zijn om de overgang naar dierlijke meercelligheid te begrijpen. De gemarkeerde interne tak (van de Urchoanozoan naar de dierlijke LCA) geeft de dierlijke stam aan (zie kader 1 LCA = laatste gemeenschappelijke voorouder). Onzekere posities binnen de dierenboom [18–23] en binnen Holozoa [24–26] worden weergegeven met polytomieën.

Box 1. Terminologie die in deze review wordt gebruikt.

Laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren (dierlijke LCA): Het voorouderlijke stadium van waaruit alle dierlijke phyla die vandaag de dag leven, uitstraalden. Gereconstrueerd op basis van kenmerken die aanwezig zijn in en worden gedeeld door bestaande dieren. Ongetwijfeld alle kenmerken die door alle dieren worden gedeeld, inclusief complexe, gecoördineerde meercelligheid. Daarom kan het worden geclassificeerd als een dier.

Laatste eencellige voorouder van dieren: De eencellige voorouder direct voorafgaand aan het verschijnen van het eerste dier.

Complexe meercelligheid: Een verzameling cellen met een driedimensionale organisatie en complexe lichaamsplannen die voortkomen uit een gecentraliseerd ontwikkelingsprogramma.

Eenvoudige meercelligheid: Een verzameling cellen, inclusief filamenten, clusters, ballen, vellen of matten, die ontstaan ​​via mitotische celdeling van een enkele stamvader of door aggregatie van onafhankelijke cellen. Eenvoudige multicellulariteit kan worden gevonden in prokaryoten en eukaryoten.

eerste dier: Eerste meercellige voorouder van alle bestaande dieren. Gedeeltelijk gereconstrueerd op basis van kenmerken die werden gedeeld door vroege divergerende dierlijnen (dwz sponzen, ctenophores, placozoa en cnidarians), zelfs als deze kenmerken afwezig zijn in bilaterianen. Deze voorouder leefde na veranderingen die leidden tot de basis van complexe multicellulariteit bij dieren en het is onwaarschijnlijk dat deze hetzelfde is als de LCA bij dieren.

dierlijke stam: De evolutionaire lijn die naar alle dieren leidt, van de gemeenschappelijke voorouder van dieren en choanoflagellaten (Urchoanozoan) tot de dierlijke LCA. De daaropvolgende overgang van eencelligheid naar meercelligheid vond plaats langs de dierlijke stamlijn.

Urmetazoa: Een term die in de literatuur wordt gebruikt en die op verschillende manieren wordt gedefinieerd als het eerste dier, de dierlijke LCA of als een amalgaam van beide. Om verwarring te voorkomen, gebruiken we deze term niet in deze recensie

Urchoanozoan: De laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren en choanoflagellaten. Het kan al dan niet hetzelfde zijn als de laatste eencellige voorouder van dieren.

Holozoa: Eukaryotische groep bestaande uit dieren, choanoflagellaten, filastereanen, ichthyosporeans en corallochytreans/pluriformeans. De grootste clade inclusief: Homo sapiens maar niet Neurospora crassa [1].

Laatste gemeenschappelijke voorouder van Holozoa (Holozoa LCA): De voorouder gedeeld door Metazoa, Choanoflagellatea, Filasterea, Ichthyosporea en Corallochytrea/Pluriformea.

Metacell: In eencellige genomica, een subgroep van homogene scRNASeq-profielen met alleen lokale variantie ten opzichte van de totale dataset, nuttig voor clustering en kwantitatieve genexpressieanalyses [2]. Uiteindelijk kan het verband houden met bepaalde celtypen, maar alleen na experimentele validatie.

celtype: In de eenvoudigste definitie werd een celtype gedefinieerd als een classificatie-eenheid om celvormen te onderscheiden volgens verschillende morfologieën of fenotypen. Celtypen zijn vaak gerelateerd aan verschillende kiemlagen tijdens de vorming van het embryo, waarbij zenuw- en epitheelcellen uit het ectoderm komen, spier- en bloedcellen uit het mesoderm en darmcellen uit het endoderm [3-5]. Terwijl celtypen van gewervelde dieren vaak worden gedefinieerd door hun toegewijde lot en niet in staat zijn om te dedifferentiëren, is het bekend dat cellen van vroeg vertakte dieren transdifferentiëren en hun celtype veranderen [6]. Dit heeft geleid tot talrijke herzieningen van het concept op functioneel, ontwikkelings- en zelfs moleculair (genexpressie) niveau. Hier gebruiken we de term 'celtype' als 'een classificatie-eenheid op basis van de gecombineerde waarnemingen van een celmorfologie en genexpressieprofiel, dat wordt aangestuurd door een genregulerend netwerk en herhaaldelijk kan worden gevonden binnen de context van een soort'. Deze celtypen kunnen deel uitmaken van een ruimtelijk of een tijdelijk geïntegreerde levenscyclus.

Aggregatieve meercelligheid: Een van de twee bekende mechanismen voor de ontwikkeling van meercelligheid. Aggregatieve multicellulariteit is het resultaat van twee of meer onafhankelijke en genetisch verschillende cellen die aan elkaar binden of met elkaar aggregeren. De resulterende meercellige structuur bestaat uit een heterogene populatie van cellen en wordt vaak gevormd met het oog op reproductie en verspreiding [7-9]. Het is herhaaldelijk geëvolueerd over verschillende eukaryote lijnen [10-14].

Klonale meercelligheid: Een van de twee bekende mechanismen voor de ontwikkeling van meercelligheid. Klonale multicellulariteit ontstaat door opeenvolgende ronden van celdeling van een enkele stamcel (spore of zygote) met onvolledige cytokinese (d.w.z. deling van het cytoplasma van de oudercel in twee dochtercellen). Het is minder vaak voorgekomen en is verantwoordelijk voor de bekendste stralingen van complexe meercellige levensvormen in de levensboom: landplanten, schimmels en dieren.

Recente gegevens van een brede vertegenwoordiging van diersoorten, vooral van niet-bilaterian dieren (sponzen, ctenoforen, placozoa en cnidarians), en ook van eencellige soorten die verwant zijn aan dieren, hebben ons in staat gesteld deze vragen beter te beantwoorden. Hun genoominhoud, genregulerende capaciteiten en biologische kenmerken kunnen worden vergeleken om de cellulaire fundamenten van dierlijke evolutie te reconstrueren en de minimale genomische complexiteit van zowel de laatste eencellige voorouder van dieren als de dierlijke LCA af te leiden. Bovendien openen de komst van sequencing-technologieën, zoals single-cell omics, en de ontwikkeling van genetische hulpmiddelen onder eencellige verwanten van dieren nieuwe wegen voor onderzoek naar genfunctiestudies, wat wijst op een steeds groter wordende reeks spannende vragen die een aanvulling zullen vormen op deze gevolgtrekkingen vanuit een functioneel en biologisch perspectief.

In deze review bieden we een bijgewerkte reconstructie van deze twee evolutionaire stadia die essentieel zijn voor een beter begrip van de overgang naar multicellulariteit van dieren: 1) de laatste eencellige voorouder van dieren en 2) de dierlijke LCA. We vatten de huidige kennis samen over de genetische toolkit, celtypediversiteit en ecologische context van deze voorouders, afgeleid door vergelijkende genomische analyses tussen dieren met hun naaste eencellige verwanten en tussen de vroegst vertakte dieren en degenen die later uitstralen. Op basis hiervan stellen we een bijgewerkte hypothese voor om de overgang naar multicellulariteit van dieren te verklaren, waarbij we benadrukken dat dierlijke basis werd gelegd vóór de oorsprong van dieren en dat de geleidelijke complexificatie van genetische regelmechanismen de sleutel was tot de progressieve verwerving van dierlijke axiale celpatronen en celpatronen. -type identiteit. Ten slotte bespreken we enkele van de onderzoeksgebieden waarvan we voorspellen dat ze de komende jaren van cruciaal belang zullen zijn voor het bestuderen van dierlijke oorsprong.

1.1. Fylogenetisch raamwerk van dieren en hun eencellige verwanten

De reconstructie van elke evolutionaire gebeurtenis is gebaseerd op een goed ondersteund fylogenetisch raamwerk. Dus, om de genomische en biologische kenmerken van de laatste eencellige voorouder van dieren en de dierlijke LCA af te leiden, is de eerste stap het definiëren van de evolutionaire relaties tussen dieren en tussen dieren en hun naaste verwanten. De dierlijke levensboom is grondig bestudeerd [18,27-31] (zie [32] voor een overzicht), maar een consistente, goed ondersteunde fylogenie blijft ongrijpbaar. Sommige gebieden van onzekerheid blijven bestaan, vooral rond de wortel van Metazoa, grotendeels als gevolg van keuzes gemaakt in verschillende fylogenomische analyses, zoals de geselecteerde genen, gebruikte taxonbemonstering, de assemblage van de fylogenomische datamatrix of het model van sequentie-evolutie [18,31] –33]. Dit laatste kan bijdragen aan schendingen van modelaannames, ook wel systematische fouten genoemd (bijv. artefacten met lange vertakkingen). Deze kunnen ook van invloed zijn op de reconstructie van dierenbomen [31]. Dit gebrek aan consensus over relaties tussen de vroegst vertakte Metazoa [18,19,31,33,34] heeft de reconstructie van bepaalde kenmerken van metazoa gehinderd [33,35]. Zo heeft onzekerheid over de positie van Ctenophora of Porifera als de zustergroep van alle andere dieren geleid tot een voortdurend debat over de oorsprong en evolutie van het zenuwstelsel [18-23,33,36-40]. Desalniettemin stelt de robuustheid van andere posities in de dierlijke fylogenie ons in staat om veel andere kenmerken van de dierlijke LCA af te leiden [33].

Tot voor kort wisten we heel weinig over de levensboom rond dieren, vooral omdat een goed ondersteunde fylogenie afhankelijk is van de beschikbaarheid van goed geannoteerde gegevens op genoomschaal en de plaatsing van belangrijke taxa. In het laatste decennium heeft de genoomsequencing van verschillende eencellige soorten het fylogenetische raamwerk van dieren en hun eencellige verwanten verbeterd [24,25,41–45]. Nu weten we dat dieren nauw verwant zijn aan een heterogene verzameling eencellige geslachten die bekend staan ​​als eencellige holozoën, die samen de Holozoa-clade vormen binnen de eukaryote groep Opisthokonta (figuren 1B en 3 box 1) [25,46-51]. De eencellige afstamming die het dichtst bij dieren staat is Choanoflagellatea, een groep van meer dan 250 soorten bolvormige/eivormige heterotrofe flagellaten (figuur 1B) [52]. Hun vertegenwoordigers, de choanoflagellaten, worden al meer dan een eeuw met dieren in verband gebracht vanwege hun morfologische gelijkenis met choanocyten, een specifiek celtype van sponzen [53]. Deze overeenkomst, samen met de bevestiging van moleculaire fylogenieën van hun positie als een zustergroep van dieren (figuren 1B en 3een,B) [47,48,52,54-59], heeft in het verleden aanleiding gegeven tot hypothesen van dieren die evolueren van een choanoflagellaat-achtige voorouder [60-63]. Moleculaire fylogenieën hebben twee aanvullende onafhankelijke lijnen binnen Holozoa bevestigd: Filasterea en Ichthyosporea (figuur 1B). Filasterea is de zustergroep van Choanoflagellatea en Metazoa, en het is tot dusver bekend dat het slechts vijf soorten amoeboid en amoeboflagellate omvat (figuren 1B en 3C,NS) [25,26,48-50,55,64-71]. Ichthyosporea is de zustergroep van de rest van Holozoa en is een diverse groep van ongeveer 40 osmotrofe en saprotrofe protisten (figuur 1B en 3e,F) [72–82]. Desalniettemin heeft de toevoeging van nieuwe soorten enkele onzekerheden achtergelaten in de holozoan-fylogenie, die zeer gevoelig lijkt te zijn voor taxonomische bemonstering.

Een open vraag betreft de positie van de vrijlevende osmotrofe Corallochytrium limacisporum (figuren 1B en 3G) [83]. Corallochytrium werd eerder geclassificeerd als de zustergroep van Ichthyosporea en vormde een monofyletische groep genaamd Teretosporea [24,25]. Recente analyses, waaronder het nieuw beschreven roofzuchtige flagellaat Syssomonas multiformis (figuur 3H) [26,70] gegroepeerd Corallochytrium en Syssomonas samen in een nieuwe onafhankelijke clade genaamd Pluriformea, die vertakt tussen Filasterea en Ichthyosporea (figuur 1B) [26]. Een soortgelijk geval betreft de onopgeloste positie van de recent ontdekte Tunicaraptor unikontum, een andere roofzuchtige flagellaat die nauw verwant is aan dieren [84]. Afhankelijk van de gebruikte taxonsteekproef, T. unikontum kan de zus zijn van filastereans, Filozoa (die de filasterean-choanoflagellate-dierengroep omvat), of het kan de vroegst vertakte holozoan-lijn zijn [84]. Milieuonderzoeken hebben ook andere vermeende nieuwe soorten geïdentificeerd die binnen of gerelateerd zijn aan verschillende eencellige holozoa-clades en zelfs een potentiële nieuwe afstamming [85-93]. Dit geeft aan dat er nog steeds een aanzienlijke verborgen diversiteit is binnen de Holozoa-clade, die onze reconstructie van de evolutie van bepaalde eigenschappen langs de Holozoa-stam kan beïnvloeden. We verwachten dat toekomstige studies ons begrip van eencellige holozoaire diversiteit zullen verbeteren en de evolutionaire relaties van de boom rondom dieren zullen verduidelijken. Desalniettemin kunnen we, ondanks de eerder genoemde raadsels in de Holozoa-fylogenie, nog steeds conclusies trekken op basis van de huidige gegevens die we in de volgende secties bekijken.

2. Reconstructie van de laatste eencellige voorouder van dieren en de laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren

Onder het Holozoa fylogenetische raamwerk kunnen we de genomische en biologische kenmerken tussen eencellige holozoën en dieren vergelijken en de twee belangrijkste evolutionaire stadia reconstrueren waaruit dieren zijn voortgekomen: de laatste eencellige voorouder van dieren en de dierlijke LCA (zie kader 2 voor verduidelijking).

Kader 2. Was het eerste dier vergelijkbaar met het dier LCA?

De gedeelde gemeenschappelijke meercellige voorouder waaruit alle bestaande dieren gediversifieerd zijn (de dierlijke LCA) was mogelijk niet dezelfde als het eerste dier (box 1). Het eerste dier was de eerste meercellige voorouder van alle bestaande dieren en gaf waarschijnlijk aanleiding tot andere lijnen die vervolgens uitstierven voordat alle moderne dierlijke lijnen van de dierlijke LCA uitstierven. Ondanks dat het onderzoek tot nu toe beperkt is gebleven tot de reconstructie van de dierlijke LCA (en de verschillende eencellige voorouders van dieren), kunnen we het eerste dier gedeeltelijk reconstrueren op basis van onze huidige kennis van de dierlijke LCA en ook op basis van kenmerken die worden gedeeld door vroege divergerende dieren. We kunnen bijvoorbeeld concluderen dat de genetische toolkit van het eerste dier erg rijk was aan genen die verband houden met metazoa-innovaties, variërend van de cellulaire fundamenten van epitheelachtige lagen tot neuronachtige signaalcellen en het optreden van spierachtige contractiele cellen. Veel dierspecifieke routes en mechanismen waren dus grotendeels compleet in de LCA voor dieren (vergelijkbaar met de observaties over de cnidarian-bilaterian LCA door Putnam et al. [94]), wat suggereert dat ze ook aanwezig waren in eerdere voorouderlijke staten, mogelijk zelfs in de eerste dieren (figuur 1, box 1). Evenzo, op basis van onze gevolgtrekkingen van celtypediversiteit in de dierlijke LCA, hadden die voorouders voorafgaand aan de dierlijke LCA waarschijnlijk het vermogen om celdifferentiatie te reguleren door middel van hiërarchische TF-netwerken en distale regulatie in verschillende cellen binnen het meercellige collectief, wat zich vertaalt tot een zekere mate van ruimtelijke celdifferentiatie mogelijk aanwezig bij de eerste dieren. In plaats van een drastische bloei van innovaties, is het waarschijnlijk dat genexpansie, coöptatie, toegenomen verfijning van de regelgeving en een overgang van temporele naar ruimtelijke genregulatie een cruciale invloed hadden op de geleidelijk toenemende complexiteit van de eerste dieren ([95], en referenties binnen).

Momenteel worden fylogenomische studies en analyses voor de reconstructie van dierlijke voorouders beperkt door de gegevens die beschikbaar zijn voor dergelijke vergelijkingen. Genomische gegevens over vroeg vertakte dieren zijn bijvoorbeeld beperkt tot een handvol soorten, die al dan niet goede vertegenwoordigers zijn vanwege genverlies en snelle evolutie. Evenzo zouden onze bevindingen bevooroordeeld zijn in de richting van de aanname van talrijke innovaties in de dierlijke lijn, tenzij we andere lijnen in onze vergelijkingen opnemen. Om deze redenen vereist het bestuderen van de oorsprong en evolutie van dieren dat we meer vroeg vertakte diergenomen moeten sequencen, en net zo belangrijk, onze focus uitbreiden naar andere geslachten buiten Metazoa.

2.1. Reconstructie van de genomische kenmerken van de laatste eencellige voorouder van dieren en de laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren

2.1.1. De genetische toolkit van de laatste eencellige voorouder van dieren

De aard van de laatste eencellige voorouder van dieren kan alleen worden gereconstrueerd door vergelijkende studies tussen dieren en hun naaste bestaande eencellige verwanten, de eencellige holozoa. In het afgelopen decennium zijn meerdere datasets op omics-schaal gegenereerd op basis van een brede vertegenwoordiging van eencellige holozoa-soorten. We hebben momenteel 11 volledige genomen tot onze beschikking [24,25,41-45] en ongeveer 30 transcriptomen en proteomen van verschillende soorten, waaronder vertegenwoordigers van elke eencellige holozoan-lijn [24-26,42,45,51,84,96- 101]. Deze datasets hebben ons in staat gesteld om de genomische kenmerken te identificeren die worden gedeeld tussen bestaande eencellige holozoën en dieren, waarvan wordt aangenomen dat ze aanwezig zijn in hun laatste eencellige gemeenschappelijke voorouder.

Opvallend is dat de genomen van bestaande eencellige holozoën inderdaad coderen voor een groot repertoire van genen die homoloog zijn aan genen die cruciaal zijn voor multicellulariteit-gerelateerde functies bij dieren [24-26,41,42,44,45,97,98,100-104]. Deze omvatten genen die verband houden met celadhesie, signaalroutes en transcriptionele regulatie (figuur 2)een) [95.122.123]. Een rijk repertoire van genen die verband houden met celadhesie bij dieren wordt bijvoorbeeld gevonden in de genomen van verschillende eencellige holozoën. Deze omvatten sleutelgenen die cel-celadhesie tussen dieren bemiddelen, zoals cadherine-domein-bevattende eiwitten of C-type lectines, die aanwezig zijn in choanoflagellaten en een fragmentarische distributie hebben in andere holozoën [84,97,105,124,125]. Integrines en geassocieerde steigereiwitten, die de adhesie van dierlijke cel-extracellulaire matrix bemiddelen, zijn aanwezig in filastereans, ichthyosporeans, C. limacisporum, S. multiformis en T. unikontum [26,84,97,98,103,126]. Sommige choanoflagellaatsoorten bezitten ook een kleine subset van het integrine-adhesoomsysteem [97,98,103]. Bovendien zijn andere structurele remodellerende eiwitten, zoals fascine of Ezrin-Radixin-Moesin en sommige basale lamina-elementen (d.w.z. collageen, laminine en fibronectine), aanwezig in enkele eencellige holozoa-soorten [84,98,106]. Choanoflagellaten en T. unikontum coderen ook voor verschillende domeinen met affiniteit voor de dierlijke Ig-achtige domeinfamilies [41,84,97]. Al met al geeft dit aan dat verschillende genen van de adhesiemachinerie van dierlijke cellen al aanwezig waren in de laatste eencellige voorouder van dieren (figuur 2een).

Figuur 2. Een afgeleid genenrepertoire van de laatste eencellige voorouder en de laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren. (een) De reconstructie van de laatste eencellige voorouder van dieren is gebaseerd op de aanwezigheid van belangrijke metazoa-genen in de genomen van eencellige verwanten van dieren. (B) Afgeleide winsten aanwezig in de laatste gemeenschappelijke voorouder (LCA) van dieren.Geel geeft genen aan die ontstaan ​​zijn voor het ontstaan ​​van de Holozoa LCA (pre-holozoa origins) groen, genen die ontstaan ​​zijn in Holozoa voorafgaand aan de dierlijke LCA (Holozoa origins) rood, dierspecifieke genen die ontstaan ​​zijn bij de wortel van dieren (dierlijke oorsprong). bHLH, basale helix-loop-helix transcriptiefactoren BRA, Brachyury CSK, C-terminale Src-kinase DRF's, doorschijnende gerelateerde formines EPS8, epidermale groeifactorreceptorkinasesubstraat 8 ERM, Ezrin-Radixine-Moesine-eiwitten GPCR's, G-eiwit-gekoppelde receptoren GSK3, glycogeensynthasekinase 3 HD, homeodomein MAGUK's, membraan-geassocieerde guanylaatkinasen MAPK's, mitogeen-geactiveerde proteïnekinasen MEF2, myocyt-specifieke versterkerfactor 2 NF-KB, nucleaire factor-KB PI3 K, fosfatidylinositol 3-kinase RFX, regulerende factor X transcriptiefactoren RTK's, receptortyrosinekinasen STAT, signaaltransducer en activator van transcriptie TALE's, drie aminozuurlusverlengingen TF's, transcriptiefactoren TGFß, transformerende groeifactor bèta. Gegevens van [24,26,44,45,97,102,105-121].

De genomen van eencellige holozoën coderen ook voor homologen van belangrijke intracellulaire signaalcomponenten van metazoa die verband houden met cel-celcommunicatie, immuniteit en signaal- / responsroutes in de omgeving. Deze omvatten Notch, Delta, receptortyrosinekinasen en homologen van de dierlijke Toll-like receptorgenen (figuur 2een) [97,107,125,127-131]. Daarentegen zijn verschillende stroomopwaartse receptoren en liganden, zoals de ruimtelijke signaleringsgenen Hedgehog, Wnt, TGF-β en JAK van het JAK-STAT-netwerk, afwezig in eencellige holozoën en waren waarschijnlijk afwezig in de laatste eencellige voorouder van dieren (figuur 2een) [95]. Een soortgelijk patroon wordt waargenomen bij sommige leden van het Myc-Max-netwerk [132] en de Hippo-signaleringsroute [108]. In het laatste geval zijn er bijvoorbeeld enkele intracellulaire componenten aanwezig in Capsaspora owczarzaki, terwijl hun metazoan stroomopwaartse receptoren Crumbs en Fat dierspecifiek zijn [95,108]. Dus, ondanks verschillende stroomopwaartse receptoren en liganden die zich ontwikkelen na de overgang naar multicellulariteit van dieren, codeerde de laatste eencellige voorouder van dieren al voor verschillende componenten van belangrijke metazoa-signaleringsroutes (figuur 2een).

Een aantal transcriptiefactoren (TF's) waarvan vroeger werd gedacht dat ze dierspecifiek waren, zijn ook aanwezig in eencellige holozoën. Verschillende transcriptionele activatoren van de eerder genoemde Hippo-signaleringsroute en het Myc-Max-netwerk zijn bijvoorbeeld aanwezig in sommige eencellige holozoën [100,108]. Een paar choanoflagellaten en ichthyosporeans, evenals Capsaspora en Corallochytrium, coderen LIM Homeobox TF's [24.104]. Verschillende eencellige holozoën coderen ook voor homologen van belangrijke ontwikkelings-TF's van dieren, zoals nucleaire factor-κB, de p53/63/73-familie, RUNX en T-box TF's, zoals Brachyury [84,95,102,109,133]. Interessant is dat sommige van deze TF's al het potentieel vertonen om deel te nemen aan genregulerende netwerken (GRN's) die goed zijn ingeburgerd in Metazoa, zoals Brachyury en Myc [100]. Dit geeft aan dat de laatste eencellige voorouder van dieren al een divers repertoire van TF's bezat en dat sommige van hen mogelijk vergelijkbare regulerende rollen hadden als die bij dieren (figuur 2een).

Ten slotte vertonen enkele eencellige holozoën ook enkele van de mechanismen die dieren gebruiken om TF-rekrutering en genexpressie te reguleren. Sommige soorten coderen bijvoorbeeld voor genen die betrokken zijn bij de controle van de toegankelijkheid van chromatine, zoals het histonacetyltransferase p300/CBP of veel histon-post-translationele modifiers [24.100]. In Capsaspora, levensfaseovergangen zijn geassocieerd met veranderingen in de toegankelijkheid van chromatine in alleen de proximale cis-regulerende regio's [100]. Bovendien mist het regulerende genoom dierlijke promotortypen en handtekeningen van dierlijke versterkers, wat aangeeft dat: Capsaspora cis-regulerende regio's zijn klein en proximaal [100]. Bovendien is het eerste bewijs voor post-transcriptionele regulatie van mRNA via miRNA's gerapporteerd in ichthyosporeans, aangezien sommige soorten coderen voor verschillende miRNA-genen en homologen van de miRNA-biogenese-machinerie van dieren (inclusief Drosha en Pasha) [134]. Dit duidt op een eencellige oorsprong van dierlijke miRNA's en het bijbehorende microprocessorcomplex [134]. Al met al suggereert dit dat de laatste eencellige voorouder van dieren waarschijnlijk een voornamelijk proximale genregulatiestrategie volgde en weinig epigenomische mechanismen gebruikte om de toegankelijkheid van chromatine te regelen, wat mogelijk ook overgangen tussen verschillende levensfasen zou kunnen reguleren.

Deze bevindingen geven dus aan dat de laatste eencellige voorouder van dieren een genrijk en regelgevend complex genoom had. Sommige van de genen die al aanwezig waren in de laatste eencellige voorouder zijn belangrijk voor multicellulariteit-gerelateerde functies van dieren, met name die welke betrokken zijn bij differentiële genregulatie (bijv. TF's en signaalroutes), celadhesie (bijv. cadherines en integrines), celtypespecificatie , celcyclus en immuniteit (figuur 2een) [34,97,122]. Desalniettemin zijn deze gevolgtrekkingen gebaseerd op een nog beperkt aantal momenteel beschikbare genomen, waarvan het gengehalte aanzienlijk varieert tussen eencellige holozoa-soorten en geslachten [41,42,97]. We verwachten door te gaan met het ophelderen van de genetische toolkit van de laatste eencellige voorouder van dieren, aangezien er de komende jaren meer genomische gegevens beschikbaar zijn voor meer eencellige holozoën.

2.1.2. De genetische toolkit van de laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren

De genetische toolkit van de dierlijke LCA kan worden gereconstrueerd door de genomen van bestaande dieren te vergelijken. Vergelijkingen tussen bestaande dieren en eencellige holozoën kunnen echter ook waardevolle inzichten opleveren in het reconstrueren van de genomische kenmerken van de dierlijke LCA [33,34,95]. Specifiek kan worden afgeleid dat die kenmerken die worden gedeeld tussen eencellige holozoën en dieren, die terug te voeren zijn op de laatste eencellige voorouder van dieren (zie §2.1.1), ook aanwezig zijn in de dierlijke LCA (figuur 2). Cadherines (moleculen die cel-celinteracties bemiddelen), integrines (bemiddelen cel-extracellulaire matrixinteracties) en sommige basale lamina-elementen worden bijvoorbeeld gedeeld tussen eencellige holozoën en de meeste dieren en er wordt dus aangenomen dat ze beide aanwezig zijn in de laatste eencellige voorouder van dieren en de dierlijke LCA (figuur 2) [20,22,94,135-137]. Hetzelfde gebeurt met verschillende van de bovengenoemde componenten die verband houden met belangrijke intracellulaire signaalroutes en TF's (figuur 2) [24-26,41,42,44,100,102]. Zo bezat de dierlijke LCA ook sleutelgenen gerelateerd aan celadhesie, signaaltransductie en transcriptionele regulatie die zich ontwikkelden in een eencellige context (zie §2.1.1, figuur 2).

Andere kenmerken die goed geconserveerd zijn tussen eencellige holozoën en sommige dierlijke geslachten, maar afwezig zijn in sommige vroeg vertakte dieren, kunnen ook worden teruggevoerd op de dierlijke LCA [33,123]. Er wordt bijvoorbeeld afgeleid dat de heggende cadherine-familie aanwezig was in de laatste eencellige voorouder van dieren, zoals het aanwezig is in het genoom van sommige choanoflagellaten, sponzen en cnidarians (figuur 2een) [33,41,42,138,139] maar is afwezig in ctenophores, placozoans en bilaterianen [33,105,138,139]. Evenzo worden Toll-achtige receptoren gevonden in verschillende choanoflagellaatsoorten en in bijna alle bilaterianen en cnidarians, maar zijn afwezig in placozoën en ctenophores en onvolledig (dwz gedeeltelijke domeinarchitecturen) in sponzen [97,140,141].

Ten slotte kan worden geconcludeerd dat die kenmerken die uitsluitend worden gedeeld tussen bilaterale en niet-bilaterian dieren, maar die afwezig zijn in eencellige holozoën, aanwezig zijn in de LCA van dieren. Deze kenmerken kunnen worden beschouwd als belangrijke dierinnovaties en kunnen helpen bij het identificeren van de reeks genen en mechanismen die zijn geëvolueerd om de fundamenten van multicellulariteit van dieren te ondersteunen. Opvallend is dat de meeste van deze genen verrijkt zijn in functies van DNA-binding, signaalroutes en aangeboren immuniteit, evenals celadhesie en cytoskeletregulatie [34,97,110]. Een belangrijke dierlijke innovatie omvat bijvoorbeeld de opkomst van verschillende nieuwe klassen van TF's [102,110,133]. Sommige van deze nieuwe TF-klassen omvatten ETS, SMAD, nucleaire receptor, Doublesex en interferon-regulerende factor-TF's [110,133]. Even belangrijk was dat andere TF-families die zich langs de dierlijke stam uitbreidden (zie kader 1 voor een definitie) de regulerende capaciteiten van de eerste dieren aanzienlijk verbeterden. Deze omvatten leden van de homeobox TF-familie, zoals Pax, Sox, basic helix-loop-helix en zinkvinger TF-families [110,133]. Zo waren de fundamenten van de Animal TF Toolkit al geïntegreerd in de Animal LCA (figuur 2 .).B).

Componenten van belangrijke signaalroutes zijn ook ontstaan ​​langs de dierlijke stam en er wordt aangenomen dat ze aanwezig zijn in de dierlijke LCA. Het eerste voorbeeld omvat de Wnt-signaleringsroute, die cel-celcommunicatie-gemedieerde samenwerking, specialisatie en polariteit tijdens de ontwikkeling van dieren orkestreert. Bijvoorbeeld frizzled, slordig en β- en δ- cateninen worden geacht aanwezig te zijn geweest in de dierlijke LCA. Sommige van deze leden komen inderdaad tot expressie bij vroeg vertakte dieren, zoals in sponslarven, tijdens de ontwikkeling van neteldieren, en in verschillende structuren van zowel volwassen sponzen als volwassen ctenophores [136,141-145]. Anderen zijn alleen aanwezig in enkele sterk afgeleide taxa [146,147]. Een andere belangrijke signaalroute die aan de wortel van Metazoa is geëvolueerd, omvat de ontwikkelings-TGF-β-signaleringsroute. Hoewel de kerncomponenten ervan een meer verspreide verdeling tussen afstammingslijnen en soorten over de dierenboom vertonen, wordt ook aangenomen dat het aanwezig is in de dierlijke LCA [20,22,141]. Evenzo zijn veel andere signaleringsroutes van dieren die zich langs de dierlijke stam uitbreidden (inclusief die die verantwoordelijk zijn voor patroonvorming bij bilateralen en aangeboren immuniteit) aanwezig in vroeg vertakte dierlijnen, ondanks dat ze ook fragmentarisch verdeeld en onvolledig zijn bij sommige soorten [34,141,148]. Er is bijvoorbeeld overvloedig bewijs van aangeboren immuniteitscomponenten die voorkomen in verschillende dierlijke geslachten, van Toll-achtige en Ig-receptoren tot TF's en complementsystemen in sponzen en cnidariërs [140,141,149-151]. De dierlijke LCA bevatte dus al een rijk repertoire van genen die verband houden met belangrijke dierlijke signaleringsroutes. Deze belangrijke dierspecifieke acquisities, vooral gerelateerd aan leden van de Wnt- en TGF-β-signaleringsroutes, worden beschouwd als kenmerken van de ontwikkeling van dieren en de verwerving van stabiele multicellulariteit [34,97,143,145,152].

Verschillende genen gerelateerd aan cel-celadhesie en cytoskeletregulatie kwamen ook naar voren bij het begin van Metazoa en er wordt aangenomen dat ze aanwezig zijn in de dierlijke LCA. Deze omvatten bijvoorbeeld Dystroglycan, Hemicentin, Fermitin [97] en het multifunctionele Espin-gen (figuur 2B) [153.154]. Andere componenten die verband houden met adhesieve verbindingen en celpolariteitsfuncties zijn redelijk goed geconserveerd in sponzen [105,136,155] met enkele homologen die ontbreken in ctenophores [156].

Ten slotte zijn die kenmerken die afwezig zijn in eencellige holozoën en de meeste niet-bilaterian dieren moeilijker af te leiden als aanwezig in de dierlijke LCA [33,35]. Een voorbeeld is de reconstructie van genen die cruciaal zijn voor de ontwikkeling en fysiologie van het zenuwstelsel [37,39,40,94]. Interessant is dat enkele relevante genen aanwezig zijn in sponzen, ondanks de schijnbare afwezigheid van een zenuwstelsel in deze groep [136,141]. Daarentegen missen ctenophores neurotransmitters van de canonieke toolkit van het zenuwstelsel die aanwezig is in andere dieren [20], waardoor sommige auteurs een parallelle evolutie van het zenuwstelsel in deze lijn veronderstellen [39,40]. Niettemin geven sommige waarnemingen aan dat vroeg vertakte dieren dit 'eenvoudigere' zenuwstelsel zouden kunnen gebruiken om informatie over hun microbioom te communiceren [157,158], waarbij ze een gemeenschappelijke oorsprong delen van de fundamenten van het neurale en het immuunsysteem op functioneel niveau. Een vergelijkbaar verstrooiingspatroon wordt waargenomen bij genen die verband houden met de ontwikkeling van kiemlagen. Ctenophores bezitten een onafhankelijk afgeleid mesodermaal weefsel, ondanks hun gebrek aan belangrijke bilaterale mesoderm-specificatiegenen [20,22,159]. Dit suggereert dat de regulerende mechanismen die nodig zijn voor het vaststellen van vroege lotgevallen in cellagen (zoals de spiercellen in het ctenofoor-specifieke mesoderm) aanwezig waren vóór de opkomst van bilaterianen. Als we ctenophores beschouwen als de vroegst vertakte dierlijke afstamming, dan zouden deze mechanismen waarschijnlijk aanwezig zijn geweest in de dierlijke LCA. Dus, hoewel de oorsprong van het zenuwstelsel en van ontwikkelingsprocessen ongrijpbaar blijven, kan de relevante toolkit in een eenvoudigere vorm hebben bestaan ​​in de LCA van dieren en later geëvolueerd zijn naar meer gespecialiseerde en complexe systemen in verschillende lijnen tijdens de diversificatie van dieren.

Over het algemeen waren de opkomst en uitbreiding van belangrijke TF's en leden van verschillende signaalroutes (zoals Wnt en TGF-β), evenals de evolutie van elementen die betrokken zijn bij aangeboren immuniteit, ontwikkeling en celadhesie, cruciale acquisities die hun oorsprong vonden in het dier LCA. Deze systemen hebben mogelijk bijgedragen aan het leggen van de basis voor axiale patronen en het verwerven van stabiele multicellulariteit bij dieren.

2.1.3. Grote krachten die de evolutie van dierlijke genomen vormgeven

Welke belangrijke evolutionaire mechanismen vormden de evolutie van dierlijke genomen tijdens de overgang van eencelligheid naar meercelligheid? Voorheen werd de innovatie van enkele genen die essentieel zijn voor de multicellulariteit van dieren beschouwd als de belangrijkste drijvende kracht achter het ontstaan ​​van dieren. En inderdaad, een relatief groot aantal nieuwe genfamilies (rond 2000), die deelnemen aan processen die dieren onderscheiden van andere geslachten, ontstonden in de dierlijke stamlijn [34,42,44,97,160]. Slechts ongeveer 2% van deze genfamilies is echter geconserveerd over dierlijke phyla, wat aangeeft dat de meeste genen die afkomstig zijn uit de dierlijke LCA secundair verloren zijn gegaan in bestaande phyla [34,97]. Sommige studies schatten dat de snelheid van geninnovatie in of onmiddellijk voorafgaand aan de dierlijke LCA groter was dan op andere punten van de dierlijke stam. Dit suggereert een hoog geboortecijfer van genen bij het begin van dieren, die progressief afnam naarmate de dieren zich in clades verspreidden [34,161]. Andere studies schatten ongeveer gelijke aantallen winsten en verliezen, en vonden bewijs voor een uitbarsting van genfamilie-uitbreidingen in de laatste eencellige voorouder van dierenstam (box 1), en een versnelde churn (dwz zowel winsten als verliezen, in plaats van alleen winsten) van genfamilies die later evolueerden langs de Metazoa-stam [97,162]. In feite wordt een vergelijkbaar aantal genverliezen en -winsten gedetecteerd bij dieren in vergelijking met hun eencellige verwanten, die meestal de routes zoals aminozuurbiosynthese en osmosensing beïnvloeden [34,97]. Dit wijst op een hoge omzet van genen en het potentieel voor verhoogde genomische plasticiteit tijdens de diversificatie van dieren, wat impliceert dat een opmerkelijke hoeveelheid genverliezen en geninnovatie hebben bijgedragen aan het vormgeven van de genoomsamenstelling van dieren [34,97,161,163-165].

Zoals besproken in eerdere paragrafen, hebben analyses van de genomen van bestaande eencellige holozoën onthuld dat ze inderdaad een onverwacht groot repertoire van meercellige genen delen met dieren. de dierlijke LCA (figuur 2) [24–26,41,42,44,45,97,98,100–104]. Ongeveer een kwart van de genen die tussen dieren en hun eencellige verwanten worden gedeeld, was bijvoorbeeld al aanwezig in de LCA van Opisthokonta of verkregen aan de wortel van Holozoa (figuur 1een en doos 1). Dit suggereert dat gencoöptatie van deze reeds bestaande voorouderlijke genen om nieuwe of gespecialiseerde functies uit te voeren een belangrijke drijvende kracht was voor dierlijke oorsprong [24,25,41,42,44,45,97,102,125,166].

De bovengenoemde veranderingen in geninhoud werden gedeeltelijk vergemakkelijkt door twee belangrijke genoomuitbreidingen die hebben bijgedragen aan de uitbreiding en diversificatie van de genfamilie bij dieren [161]. Uitbreiding en diversificatie van de genenfamilie leidden specifiek tot veranderingen in de regulerende capaciteiten van dieren [34,97,110,133]. Zo breidden verschillende klassen van TF's zich ook uit om nieuwe families te veroorzaken bij het begin van Metazoa (zie §2.1.2) [102.110.133]. Deze uitbreiding van TF's in termen van klassen en families leidde tot de herbedrading en integratie van enkele reeds bestaande kernregulerende netwerken in complexere regelgevingsprogramma's tijdens de evolutie van dieren [100,133]. Tegelijkertijd nam ook de evolutie van niet-coderende genen en nieuwe epigenetische mechanismen, zoals het verschijnen van ontwikkelingspromotors en distale versterkerelementen, toe. cis-regelgevend complexiteit in de dierlijke stamlijn [100]. Ten slotte droeg een extra niveau van verworven transcriptomische regulerende complexiteit, inclusief alternatieve splitsingsgebeurtenissen door exon-shuffling, exon-skipping of intronretentie [24,167], ook bij aan nieuwe bronnen van transcriptomische innovatie [24,168-171].

Over het algemeen werd de evolutie van dierlijke genomen van een eencellige voorouder mogelijk gemaakt door een combinatie van oude genfamilies met nieuw ontwikkelde genen in de dierlijke stamlijn, gevormd door een onevenwichtige verdeling van genversterking en duplicaties, ongebreidelde verliezen van genfamilies, gen-co- optie, genfamilie-uitbreiding en subfunctionalisatie (vooral van verschillende belangrijke TF's). De opkomst van nieuwe GRN's (vooral distale regulerende elementen zoals versterkers en chromatine-structurele modificaties) was toen een sleutelmechanisme voor de evolutie van dierlijke genomen van een eencellige voorouder [24,25,34,41,42,44,45,97,100,102,110,125,136,161,166,172 –174].

2.2. Reconstructie van de biologische kenmerken van de laatste eencellige voorouder van dieren en de laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren

2.2.1. Potentiële levensstijlen van de laatste eencellige voorouder van dieren

Naast analyses van hun genomen, kunnen vergelijkingen van de biologische eigenschappen van eencellige holozoën ook een uitgebreide reconstructie opleveren van de cellulaire fundamenten van de laatste eencellige voorouder van dieren. In de afgelopen jaren zijn de levensstijlen en celbiologie van verschillende eencellige holozoa-soorten gekarakteriseerd op transcriptomisch en morfologisch niveau [24-26,42,45,51,70,84,96-99,175-180]. Opvallend is dat elke eencellige holozoa-afstamming unieke en onderscheidende eigenschappen heeft die ons begrip van de biologische aard van de laatste eencellige voorouder van dieren hebben veranderd.

Choanoflagellaten zijn bijvoorbeeld wijd verspreid over de hele wereld in een reeks van voornamelijk aquatische omgevingen [89,181-186]. Ondanks dat het meestal eencellige flagellaten zijn, zijn sommige soorten, zoals Salpingoeca rosetta, zijn in staat om eenvoudige meercellige structuren van stabiel hechtende cellen te vormen als resultaat van georiënteerde celdelingen vanuit een enkele stamcel (figuur 3een, vak 1) [61.187]. Onder bepaalde omstandigheden, S. rosetta flagellaatcellen kunnen ook transdifferentiëren tot amoeboïde cellen [192]. Andere soorten, zoals de recent beschreven Choanoeca flexa, kunnen enorme komvormige kolonies vormen (figuur 3B) [96]. Met name deze kolonies keren hun kromming omkeerbaar om als reactie op licht via een rodopsine-cGMP-route, wat een soortgelijk gedrag vertegenwoordigt als gecoördineerde beweging en morfogenese bij dieren [96].

Filastereanen worden gevonden in zoetwater-, zee- en diergerelateerde omgevingen [25,26,50,55,64-68,70,71]. Net als choanoflagellaten zijn sommige filasterische soorten in staat om eenvoudige meercellige structuren te vormen. Maar in tegenstelling tot de klonale kolonies die worden gevonden in choanoflagellaten, worden deze gevormd door de actieve aggregatie van onafhankelijke cellen (figuur 3CD, vak 1) [26,67,98]. De best beschreven soorten, Capsaspora owczarzaki, heeft drie verschillende levensstadia, waaronder een aggregatief stadium. Deze stadia worden differentieel gereguleerd op transcriptomisch, proteomisch en fosfoproteomisch niveau (figuur 3C) [65,98,100,101]. Anderen, zoals Pigoraptor spp., zijn morfologisch zeer plastisch en kunnen overgaan van amoebe- en amoeboflagellaatstadia naar cysten en aggregaten van cellen (figuur 3NS) [26,70].

Figuur 3. Tijdelijk wisselende levenscycli van eencellige holozoën. Elk paneel toont levensfaseovergangen van twee eencellige holozoa-soorten die elke clade vertegenwoordigen. Pijlen geven de richting van de overgang aan. Luspijlen geven celdeling aan. Gestippelde pijlen met vraagtekens tussen fasen geven mogelijke (onbevestigde) overgangen in levensfasen aan. (een) Levensfasen van de koloniale choanoflagellate Salpingoeca rosetta [176,187]. De aseksuele levenscyclus (rechts) omvat een eencellig zittend thecatestadium (gehecht aan het substraat), langzaam en snel zwemmende eencellige stadia en twee soorten klonale koloniale stadia (ketting- en rozetkolonies), waarin aangrenzende cellen zijn verbonden door intercellulaire bruggen [188-190]. Uithongering triggert de S. rosetta seksuele cyclus (links), waarin diploïde cellen (trage zwemmers) meiose en recombinatie ondergaan, en de resulterende haploïde cellen (die zich ook ongeslachtelijk kunnen delen) anisogaam paren [176,178]. (B) Levensfasen van de koloniale choanoflagellate Choanoeca flexa [96]. Licht-naar-donker overgangen induceren C. flexa kolonies om hun kromming snel en omkeerbaar om te keren terwijl ze contacten tussen naburige cellen tussen hun kraagmicrovilli behouden, afwisselend tussen twee kolonie-conformaties. Als reactie op licht vertonen kolonies een ontspannen (flagella-in) voedingsvorm. Bij afwezigheid van licht gaan kolonies over in een omgekeerde (flagel-out) zwemvorm. (C) Levensfasen van de filasterean Capsaspora owczarzaki [64,65,98]. In het trofische proliferatieve (filopodiale) stadium zijn cellen amoeben die aan het substraat zijn gehecht, en zich uitstrekken over verschillende lange, dunne op actine gebaseerde filopodia. Deze amoeben kunnen loskomen van het substraat en actief aggregeren in het aggregatieve of 'meercellige' stadium, waardoor een extracellulaire matrix ontstaat die ze vermoedelijk samenbindt. Als reactie op verdringing of stress, kunnen cellen van zowel de amoebe als de aggregatieve stadia worden ingekapseld door de filopodia terug te trekken in een cystische of resistentiefase. (NS) Vermeende levensfasen van de filasterean Pigoraptor Vietnam [26,70]. Zwemmende flagellated-cellen kunnen lange, dunne, soms vertakte filopodia vormen die zich aan het substraat kunnen hechten. Gevlagde cellen kunnen soms brede lobopodia vertonen. Gevlagde cellen kunnen het flagellum terugtrekken en rondachtig worden, om ofwel te verdelen in twee dochtercellen met flagellaten of over te gaan naar een cystisch stadium. Dit kan op zijn beurt twee gevlagde dochtercellen produceren. Cellen kunnen ook gemakkelijk desintegrerende aggregaties van cellen vormen en gezamenlijk voeden. De levensfasen van Pigoraptor chileana lijken erg op die van P. vietnamica, maar P. Chileana vertoont een sterk verminderd vermogen om filopodia en lobopodia te produceren (beide stadia zijn uiterst zeldzaam in P. Chileana). (e) Levensfasen van de ichthyospore Creolimax fragrantissima [45,77]. Enkelkernige amoeben verspreiden zich totdat ze bezinken en insluiten. De afgeronde cel ondergaat meerdere ronden van synchrone nucleaire deling (coenocytische deling) zonder cytoplasmatische deling. Kernen worden later gerangschikt aan de periferie van de cel als een grote centrale vacuole groeit. Ten slotte wordt de co-enocyt cellulair en komen er nieuwe amoeben vrij om de cyclus opnieuw te beginnen. (F) Levensfasen van de ichthyospore Sphaeroforma arctica [99,180]. Enkelkernige cellen ondergaan meerdere ronden van synchrone nucleaire deling (coenocytische deling) zonder cytoplasmatische deling. Kernen worden later gerangschikt aan de periferie van de cel. Ten slotte cellulariseert de co-enocyt, waardoor een aantal dochtercellen vrijkomt om de cyclus opnieuw te beginnen. (G) Levensfasen van de corallochytrean Corallochytrium limacisporum [22,83,191]. reproductie in C. limacisporum vindt voornamelijk plaats door binaire splitsing (99% van de gevallen), waarbij een tweekernige cel zich deelt in twee, symmetrische, eenkernige cellen. Binucleate cellen kunnen twee lobben vormen die kunnen leiden tot celdeling (vormen twee monoucleate cellen), of kunnen omkeren naar bolvormige cellen. Op dit punt (*) kunnen cellen overgaan naar co-enocytische groei (1% van de gevallen) en doorgaan met het delen van hun kernen om verder vierkernige cellen te vormen. Vierkernige cellen kunnen vaak een klaverachtige vorm vormen (vergelijkbaar met tweelobbige cellen), die ofwel vier mononucleaire cellen genereert of terugkeert naar een bolvorm en zich verder verdeelt tot een co-enocyt van acht, 12 en maximaal 32 kernen. Coenocyten kunnen dispersieve amoeben afgeven om de cyclus opnieuw te beginnen. (H) Vermeende levensstadia van de pluriformean Syssomonas multiformis [26,70]. Een zwemmende gevlagde cel kan zich tijdelijk aan het substraat hechten via het voorste deel van het cellichaam of naar de bodem gaan en transformeren in een amoeboflagellaatvorm door zowel brede lobopodia als dunne korte filopodia te produceren. Gevlagde cellen kunnen het flagellum via verschillende modi verliezen en overgaan in een amoebestadium, dat dunne, relatief korte filopodia produceert. Zowel amoeboflagellaat- als amoebestadia kunnen teruggaan naar het flagellatestadium. Amoeboïde cellen kunnen ook inkapselen door hun filopodia terug te trekken en het cellichaam af te ronden. Palintomische delingen kunnen optreden in het cystische stadium om verschillende gevlagde dochtercellen vrij te maken. Gevlagde cellen kunnen gedeeltelijk samenvloeien en tijdelijke vormeloze celaggregaten vormen van zowel gevlagde als niet-gevlagde cellen en rozetachtige kolonies die alleen bestaan ​​uit gevlagde cellen (die naar buiten gerichte flagella vertonen). In rijk medium kunnen solitaire gevlagde cellen soms actief samensmelten en een syncytium-achtige structuur vormen, die ontluiking ondergaat en gevlagde dochtercellen vrijgeeft.

Ichthyosporeans worden gevonden in commensale, mutualistische of parasitaire relaties met waterdieren (zowel zoetwater als zeedieren) en landdieren. De meeste van hen zijn direct geïsoleerd uit verschillende dierlijke weefsels, met name ingewanden van weekdieren en geleedpotigen [73,76-79]. Sommige soorten vertonen verschillende fenotypes, zoals beweeglijke pseudopodia, hyphal of plasmodial structuren [76]. Ichthyosporen vertonen ook een algemeen geconserveerde ontwikkelingsmodus die bestaat uit grote, meerkernige bolvormige of eivormige coenocyten die soms meerdere bolvormige propagules of beweeglijke limax-vormige amoeben vrijgeven door cellularisatie van de interne kernen (figuur 3e,F) [76-78,99,180,193]. Intrigerend genoeg lijkt ten minste één van deze soorten een zelfgeorganiseerde gepolariseerde laag cellen te genereren in de loop van cellularisatie (figuur 3F) [180].

Leden van de Corallochytrea/Pluriformea-groep en T. unikontum vertonen ook complexe gedragingen en ontwikkelingsmodi, die soms lijken op die waargenomen in ichthyosporeans en filastereans. Bijvoorbeeld, C. limacisporum, is een kleine bolvormige vrijlevende osmotrofe die oorspronkelijk geïsoleerd was van mariene koraalriffen met een nog onopgeloste complexe ontwikkelingsmodus (figuur 3G) [25,83]. Gewoonlijk ondergaan cellen binaire celdeling, maar af en toe vindt celdeling plaats door co-enocytische ontwikkeling gevolgd door het vrijkomen van propagules of limax-vormige amoeben, vergelijkbaar met ichthyosporeanen (figuur 3G) [83,191]. Syssomonas multiformis is een in zoetwater levende roofzuchtige flagellaat die zich voedt met grote eukaryote prooien [26,70]. gelijk aan de filasterean Pigoraptor sp., het heeft ook een complexe ontwikkelingsmodus die amoeboflagellaat, amoeboïde cellen, beweeglijke zwemcellen, bolvormige cysten en soms clusters van meerdere cellen omvat (figuur 3H) [26,70]. Eindelijk, T. unikontum is een vrijlevende roofflagellaat in de zee die zich ook voedt met eukaryote prooien [84]. Naast de flagellate vorm, aggregeren solitaire cellen tijdelijk in flagellated of niet-flagellated celklonten zoals waargenomen in S. multiformis of de filasterean Pigoraptors spp. [84].

Deze diversiteit aan fenotypes waargenomen in elke eencellige holozoan-afstamming, en het bewijs van tijdelijk gereguleerde overgangen in levensfasen bij sommige van hun vertegenwoordigers [42,45,98,100], geven aan dat de laatste voorouderlijke eencellige toestand waarschijnlijk relatief plastisch was, in plaats van een eenvoudige eencellige entiteit (figuur 4een) [95.123]. De laatste eencellige voorouder van dieren zou waarschijnlijk omgevingsstimuli kunnen voelen en reageren door over te gaan naar verschillende celstadia (figuur 4 .).een,B). De levenscyclus kan een gedifferentieerde sedentaire filtervoeding of heterotrofe levensfase (waarschijnlijk bacterivoren) en een proliferatieve fase omvatten, mogelijk inclusief dispersieve vormen. Het kan ook cysten of resistentievormen en ten minste één meercellig stadium hebben omvat. Deze verschillende celstadia zouden kunnen zijn gereguleerd via tijdelijke genregulerende programma's, die op hun beurt de overgangen in de levensfasen controleerden. De gegevens die zijn verzameld onder eencellige familieleden van dieren suggereren dus dat de laatste eencellige voorouder van dieren waarschijnlijk een complexe levenscyclus presenteerde die verschillende voorbijgaande celidentiteiten of toestanden integreerde, en waarschijnlijk een meercellige toestand omvatte die de ruimtelijke coëxistentie van verschillende labiele celtypen vertoonde. Toekomstige studies zullen dieper inzicht verschaffen in de vraag of de temporele regulatie van deze verschillende labiele celtypes of stadia in de laatste eencellige voorouder geleidelijk zou kunnen zijn geëvolueerd naar spatio-temporele differentiatie van celtypes in de dierlijke stamlijn. In feite onderzoeken recente en voortdurende inspanningen of de meercellige structuren die worden vertoond in verschillende eencellige holozoa-soorten worden gevormd door verschillende cellen die naast elkaar bestaan ​​in die meercellige stadia (op morfologisch en genetisch niveau) ([188,189.191] S.R. Najle 2021, persoonlijke communicatie). Als dit inderdaad het geval is, zou dit suggereren dat ruimtelijk-temporele gedifferentieerde celtypen aanwezig zouden kunnen zijn in de laatste eencellige voorouder van dieren.

Figuur 4. Onze huidige kijk op belangrijke veranderingen in de herkomst van dieren. (een) De laatste eencellige voorouder van dieren had waarschijnlijk een levenscyclus die verschillende tijdelijk gereguleerde stadia omvatte, waaronder een seksueel reproductief stadium en ten minste één meercellig stadium. (B) Cellen binnen deze meercellige structuur waren in staat om te reageren op verschillende omgevingsstimuli dankzij een complex repertoire van signaalmoleculen en genregulerende netwerken (GRN's), die overgingen naar labiele celstadia. (C) Deze meercellige entiteit had mogelijk een zeker vermogen om positionele informatie vanuit de structuur te integreren, maar had geen axiale / positionele patronen. (NS) De overgang naar dierlijke oorsprong heeft waarschijnlijk enkele veranderingen in deze levenscyclus met zich meegebracht, die al aanwezig waren tegen de tijd van de laatste gemeenschappelijke voorouder (LCA) van dieren. (e) Cellen binnen de meercellige structuur verwierven het vermogen om ruimtelijke informatie vanuit het organisme te integreren door gebruik te maken van morfogenetische hulpmiddelen (zoals liganden, receptoren en GRN's) (NS′), die de ruimtelijke organisatie van celtypen mogelijk maakte (NS). Tegelijkertijd werd dit ontwikkelingsprogramma samengevoegd met het seksuele reproductieprogramma, waardoor gametenfusie de vorming van een meercellige structuur kon veroorzaken door seriële deling. (F) Een groter vermogen om verschillende celtypen onafhankelijk van de omgeving vast te stellen, vertaalt zich in de opkomst van rudimentaire morfogenetische plannen, bestaande uit eenvoudige positionele patronen (zoals een primaire as) waar verschillende celtypen zich lokaliseren in verschillende regio's van het organisme (axiale / positionele patronen ). Het is de moeite waard om te benadrukken dat de hier gepresenteerde visuele afbeeldingen slechts weergaven zijn van algemene concepten en dat we geenszins standpunten innemen over specifieke details, zoals de werkelijke structuur van de levenscycli, het aantal cellen, genen, moleculen en GRN's betrokken, de axiale patronen of de morfologische details van deze organismen.

2.2.2. Potentiële levensstijlen van de laatste gemeenschappelijke voorouder van dieren

Vergelijkende analyses tussen eencellige holozoën en dieren stellen ons ook in staat om de biologische en ecologische kenmerken van de dierlijke LCA te reconstrueren. In dit geval omvatten de kenmerken waarvan wordt afgeleid dat ze aanwezig zijn in de dierlijke LCA, kenmerken waarvan wordt voorspeld dat ze zich langs de dierlijke stam hebben ontwikkeld. De LCA van dieren was bijvoorbeeld waarschijnlijk aquatisch en had een obligate, klonale multicellulariteit [122,123]. Belangrijk is dat de dierlijke LCA waarschijnlijk cel-celcommunicatie-gemedieerde samenwerking, specialisatie en polariteit presenteerde, waardoor de ruimtelijke verdeling van arbeid tussen verschillende naast elkaar bestaande cellen mogelijk werd. Elk celtype (box 1) was gespecialiseerd om een ​​andere rol te spelen binnen het hele organisme, met moleculaire kenmerken die leken op die van de belangrijkste celtypes van bestaande dieren [122]. Elk celtype zou bijvoorbeeld ook zijn eigen sets van tot expressie gebrachte genen hebben die worden gebruikt in verschillende processen (bijv. Contractie, secretie, signalering en ontvangst), gereguleerd door goed gedefinieerde genetische programma's (een set van TF's en andere specifieke regulerende mechanismen). Dit houdt in dat sommige genen tot expressie zouden worden gebracht door bepaalde celtypen, maar niet door andere (d.w.z. elk celtype brengt een beperkt aantal genen tot expressie die in het genoom worden gecodeerd). De verdeling van het genoom in functionele modules waartoe verschillende celtypen toegang hebben, weerspiegelt een toename van regulerende mechanismen om het lot van verschillende cellen te bepalen [38].

Uit onze eerdere reconstructie van de voorouderlijke geninhoud kunnen we ook voorspellen dat de dierlijke LCA cel-celadhesie vertoonde met behulp van cadherines, cel-ECM-adhesie door integrine-gerelateerde eiwitten en georkestreerde collectieve beweging door celcontractiliteit [123]. Het had ook het vermogen om de omgeving te voelen, te communiceren tussen cellen via synapsachtige paden en een epitheelachtige cellaag te gebruiken die gedeeltelijk wordt gebruikt om bacteriële of eukaryote prooien als voedselbron te vangen [122,123]. Bovendien heeft het zich waarschijnlijk seksueel voortgeplant met behulp van sperma en eieren, waardoor verschillende gameten worden onderscheiden door spermatogenese en oogenese (d.w.z. oogamy) [122,123]. Ten slotte presenteerde de dierlijke LCA waarschijnlijk een vorm van ontwikkelingsprocessen door mechanismen van celdeling, celdifferentiatie en invaginatie die aanwezig zijn in alle dieren [122,123]. Een dergelijke diversiteit aan celtypen en complexe organisatie werd op zijn beurt gereguleerd door een diverse reeks TF's en epigenomische machines die distale regulatie omvatten, en de eerste ontwikkelingsstappen betroffen waarschijnlijk gecoördineerde signalering via leden van de Wnt- en TGF-β-routes, waardoor de weg werd gebaand naar ruimtelijke verdeling van arbeid tussen naast elkaar bestaande cellen. We kunnen dus concluderen dat de dierlijke LCA al rijk was aan celtypen die een deel van hun cellulaire fundamenten delen met die gevonden in bestaande soorten.

3. Ons huidige perspectief op de oorsprong van dieren

De bijgewerkte reconstructie van de genomische en biologische kenmerken van zowel de laatste eencellige voorouder van dieren als de dierlijke LCA hebben ons in staat gesteld de belangrijkste kenmerken en belangrijke krachten te identificeren die de evolutie van dieren vormgeven. In het verleden werd deze identificatie beperkt door de beperkte informatie over de evolutionaire relaties van dieren en andere eukaryoten. Klassieke studies vergeleken dieren bijvoorbeeld met eencellige organismen zoals gist en wezen kenmerken die afwezig zijn in gist aan als potentieel sleutel tot de oorsprong van dieren [194,195]. Nu weten we dat een dergelijke benadering verre van ideaal was vanwege de lange evolutionaire afstanden die deze geslachten van elkaar scheiden. In de afgelopen jaren hebben we dit perspectief geleidelijk zien veranderen met de studie van de naaste eencellige verwanten van dieren en hun vergelijking met vroeg vertakte dieren, zoals besproken in eerdere secties. Bovendien hebben talrijke onderzoeken onze kennis van de omgeving waarin dieren zijn ontstaan ​​en gediversifieerd, vergroot. Deze studies hebben ons in staat gesteld om de context en de belangrijkste krachten te heroverwegen die de overgang naar multicellulariteit van dieren hebben veroorzaakt.

3.1. De ecologische context van de transitie

Externe factoren en ecologische triggers waren mogelijk net zo belangrijk als genomische veranderingen tijdens de evolutie van dieren [34]. Een voorbeeld is de biogeochemische context waarin dieren zijn ontstaan ​​en gediversifieerd. Enkele van de mogelijke ecologische triggers zijn veranderingen in de oceaanchemie, zoals de beschikbaarheid van ijzer en koper [196-201] of de grote zuurstofvoorziening die plaatsvond rond 700 Ma [202] (hoewel sommige auteurs beweren dat dit laatste niet zo kritisch was: [203.204]). Als meercellige organismen zou de oorsprong van dieren ook beïnvloed kunnen zijn door alle voordelen van het meercellig zijn. Zo waren bijvoorbeeld de opkomst van nieuwe ecologische niches [205] en selectie op meercelligheid als ontsnapping aan predatie ook potentiële drijvende krachten achter het ontstaan ​​van dieren [206,207] (maar zie ook [208]).

De ecologische context kan ook een impact hebben gehad op de evolutie van dieren, zoals bij het vormgeven van diervoedingsmodi en morfologische kenmerken [209]. Dieren zijn bijvoorbeeld geëvolueerd in een omgeving die wemelt van bacteriën en andere eukaryoten, en hebben gedurende hun daaropvolgende evolutionaire geschiedenis in nauwe samenwerking met deze organismen geleefd. De gastheer-geassocieerde microbiota kan inderdaad de ontwikkeling en darmmorfogenese bij dieren reguleren [157]. In deze context zou een nauwe relatie met bacteriën de evolutie van dieren kunnen hebben beïnvloed door een systeem van celcommunicatie te vereisen om bacteriële symbionten en commensalen te herbergen, en een afweersysteem om bacteriële pathogenen aan te pakken. Interessant is dat bacteriële interacties ook worden waargenomen bij de naaste eencellige verwanten van dieren, vooral bij choanoflagellaten. Bijvoorbeeld rozetontwikkeling in de choanoflagellaat S. rosetta waarvan bekend is dat het wordt geactiveerd en versterkt door een bacterieel sulfonolipide [42,61,177,187,210].Bacteriële lipiden reguleren ook ontwikkelingsschakelaars die zowel de rozetvorming activeren als remmen S. rosetta [177]. Dit is niet het enige voorbeeld van omgevingsbacteriën die een sleutelrol spelen tijdens de overgangen van hun levensfasen, zoals: S. rosetta is ook in staat tot seksuele reproductie na inductie door een bacteriële chondroïtinase [176-178]. Interessant is dat de S. rosetta seksuele cyclus wordt geïnduceerd door een bacteriesoort die ook de ontwikkeling van lichtorganen in een inktvis reguleert [211]. Talrijke studies in andere choanoflagellaten benadrukken de rol van bacteriële interacties [179.212]. Een voorbeeld is: Salpingoeca monosierra, een nieuwe choanoflagellaatsoort die het eerste bekende choanoflagellaatmicrobioom herbergt [213]. Salpingoeca monosierra vormt grote kolonies met een diameter van meer dan 100 µm (meer dan een orde van grootte groter dan die gevormd door S. rosetta) en herbergen ongeveer 10 bacteriële symbionten binnen een enkele kolonie [213]. Over het algemeen was de ecologische context tijdens de evolutie van dieren ook de sleutel voor de overgang naar meercelligheid. Leven in een omgeving vol met bacteriën heeft waarschijnlijk de basis gelegd voor diergerelateerde microbiomen en de oorsprong van dierinteracties met micro-organismen.

3.2. De oorsprong van dieren

Naast de ecologische context hadden vroegere biologische definities van dieren betrekking op het vermogen tot celcoördinatie op meercellig niveau, de aanwezigheid van ruimtelijke celdifferentiatie en een gecoördineerd ontwikkelingsplan uitgaande van een enkele cel. Theorieën die de oorsprong van dieren verklaren, omvatten dus de verwerving van mechanismen die nodig zijn om epitheelachtige meercellige structuren te genereren. Verdere studies en vergelijkingen onthulden dat de mechanismen die ten grondslag liggen aan deze kenmerken zich waarschijnlijk ontwikkelden in de stamlijn van dieren, voortbouwend op paden en kenmerken die aanwezig zijn in hun eencellige voorouders [24,25,45,95,98,100,122,123]. Zo stelden sommige herziene theorieën de verwerving van ruimtelijke regulatie voor als een van de belangrijkste drijfveren van de oorsprong van dieren, in tegenstelling tot de temporele regulatie van celtypen die wordt vertoond door hun eencellige verwanten [214.215].

We stellen hier een bijgewerkt overzicht voor van welke veranderingen mogelijk de sleutel waren tot de opkomst van dieren (figuur 4). Om te beginnen waren er naar onze mening waarschijnlijk meercellige structuren met verschillende labiele celtypen die naast elkaar bestonden vóór de oorsprong van dieren. We stellen ons een eerste scenario voor van een voorouderlijk organisme met een complexe ontogenie en temporele regulatie van verschillende voorbijgaande levensfasen, zoals voorgesteld in Zakhvatkin [215] en herzien in Mikhailov [214] (figuur 4a–c). Elke fase bestond uit verschillende celtypen die verschillende paden gebruikten om specifieke rollen uit te voeren, zoals substraataanhechting, voeden, zwemmen en paren. Een van die stadia was een meercellige structuur die waarschijnlijk voortkwam uit klonale deling, die ruimtelijke coëxistentie van verschillende, niet-toegewijde celidentiteiten vertoonde, aangedreven door unieke genetische programma's van transdifferentiatie (figuur 4B,C). In dit temporele meercellige stadium vonden verschillende functies (voeding, beweging en afscheiding) tegelijkertijd plaats omdat ze door verschillende cellen werden uitgevoerd. We stellen dus voor dat ruimtelijke regulatie zelf aanwezig was in de laatste eencellige voorouder van Metazoa.

Hieronder speculeren we over enkele aspecten die mogelijk een sleutelrol hebben gespeeld bij het ontstaan ​​van dieren, in relatie tot sommige van hun kenmerken en in willekeurige volgorde, en altijd in de context van toenemende complexiteit die in deze review wordt besproken.

3.2.1. Verhoogde genomische innovatie en coöptatie van reeds bestaande elementen

De oorsprong van dieren ging gepaard met toegenomen genomische innovatie, waaronder veel nieuwe, snel evoluerende en vervolgens algemeen geconserveerde genen. Deze genen codeerden voor eiwitten waarvan bekend is dat ze regulerende functies hebben in multicellulariteit van dieren: genregulatie, signalering, celadhesie en celcyclusregulatie. Desalniettemin leggen coöptatie van en veranderingen in de regelgeving in reeds bestaande elementen die aanwezig zijn bij eencellige holozoën de basis voor verdere uitbreidingen en diversificaties van de genfamilie. Dit droeg op zijn beurt bij aan een verhoogde reguleringslaag voor celtypespecificatie in de dierlijke stamlijn en speelde waarschijnlijk een belangrijke rol bij de hieronder besproken gebeurtenissen.

3.2.2. Progressieve verwerving van axiale patronen en celtype-identiteit

Zoals eerder voorgesteld, had de laatste eencellige voorouder van dieren een mengsel van labiele celtypen die naast elkaar in dezelfde entiteit bestonden (figuur 4B,C) [95]. Analyses hebben tot nu toe echter geen sluitend bewijs opgeleverd dat eencellige familieleden van dieren specifieke rangschikkingen van gedifferentieerde celtypen hebben bij het vormen van een meercellige structuur. De laatste eencellige voorouder van dieren was waarschijnlijk in staat om te reageren op externe signalen in een veranderende omgeving dankzij de hierboven besproken signalerings- en genoomregulatiemechanismen (figuur 4B,C). Coöptatie van dergelijke genen voor ruimtelijke celsignalering tussen naburige cellen zou kunnen hebben geleid tot het vermogen om positionele informatie vanuit het organisme te integreren. De routes in kwestie zouden het triggeren van instelbare, niet-binaire reacties omvatten, zoals bij dierlijke morfogenen, en ten minste één mechanisme van genoomregulatie dat verschillende fenotypes bepaalt. Een potentiële kandidaat zou de Wnt/β-catenine-signaleringsroute kunnen zijn, waarvan bekend is dat deze de anteroposterieure as van het lichaamsplan reguleert, zelfs bij vroeg vertakte dieren [142,144]. Een primaire as is waarschijnlijk ontstaan ​​als gevolg van ruimtelijke scheiding tussen verschillende groepen cellen. Deze primaire assen hadden een kiemvormende architectuur kunnen bieden voor de verschillende celtypen om te rangschikken en kunnen hebben geleid tot de vorming van eenvoudige morfogenetische plannen [95]. Hiermee werd ruimtelijke coördinatie van cellen even belangrijk om verschillende functies in het organisme te definiëren, in plaats van alleen individuele naast elkaar bestaande cellen.

De integratie van in de tijd gereguleerde en ruimtelijk naast elkaar bestaande celtypen zou kunnen hebben bijgedragen aan een geleidelijke regionalisering van functies die op hun beurt de opkomst van morfogenetische programma's hebben bevorderd (figuur 4NSF) [95]. Flexibele celidentiteit (en op hun beurt GRN's) werden minder afhankelijk van externe factoren, wat leidde tot een zekere toewijding aan het lot van de cel (figuur 4e). Dit kan zijn gebeurd doordat GRN's meer gekoppeld of afhankelijk zijn geworden van signalen in het organisme, waardoor de vrijheid van de cel om door middel van transdifferentiatie op zijn omgeving te reageren, wordt genegeerd. De opkomst van celtypen zou selectie in staat stellen om op het niveau van individuele cellen te werken in termen van collectieve fitheid, wat een verfijning van selectie binnen de groep [216] vormt. Inherent zou de opkomst van meercellige structuren de verschillen tussen cellen in verschillende regio's van deze meercellige entiteit kunnen hebben vergroot [217]. De overgang naar dierlijke oorsprong omvatte dus waarschijnlijk de geleidelijke integratie van GRN's en een geleidelijke regionalisering van functies, waardoor de oprichting van verschillende ruimtelijk naast elkaar bestaande celtypen mogelijk werd.

3.2.3. Opkomst van een samengevoegd genregulerend programma voor bevruchting en meercellige ontwikkeling

Dieren produceren zeer verschillende soorten gameten. Gametenfusie bepaalt de initiële polariteit en triggert het ontwikkelingsprogramma in dierlijke eieren [218.219], wat betekent dat het in eerdere stadia van de evolutie van dieren had kunnen dienen als een vroege trigger voor asymmetrische celdeling, het genereren van een rudimentaire as en het vaststellen van het lot van de cel. Tijdens de ontwikkeling en gedurende het hele leven van het dier kunnen dierlijke cellen zich vermenigvuldigen als reactie op signalen van binnenuit het organisme door de toegang tot de celcyclus te regelen. de set van Capsaspora celcyclusregulatoren delen enkele eigenschappen met die van dieren, met enkele geconserveerde TF's die verband houden met proliferatie evenals de timing van expressie van celcycluscontrolepuntgenen [100,220]. Eencellige holozoën missen echter de genen die nodig zijn om de voortgang van de celcyclus te activeren als reactie op extracellulaire signalering bij dieren [220-222]. Tot nu toe kennen we geen eencellige holozoa waarbij de vorming van het meercellige stadium is gekoppeld aan de fusie van gameten. Op een bepaald punt langs de stamlijn die tot dieren leidt, heeft een voorouder met het vermogen om zowel een meercellig morfogenetisch plan te genereren door middel van axiale patronen als seksuele reproductie uit te voeren, deze twee programma's waarschijnlijk geïntegreerd in een enkel ontwikkelingsplan (figuur 4).

3.2.4. Degradatie van eencellige stadia ten gunste van een meercellige fase

De oorsprong van dieren was waarschijnlijk een lang, geleidelijk evolutionair proces in plaats van een enkele evolutionaire sprong, die de weg vrijmaakte voor multicellulariteit van dieren door complexe ontwikkeling, sperma-ei-fusie en seriële celdeling parallel te koppelen aan de integratie van ruimtelijke celdifferentiatie [95,123] . Het meercellige stadium had de overhand kunnen hebben op het eencellige stadium door de voorkeur te geven aan ontsnapping aan roofdieren, verbeterde exploitatie van hulpbronnen en versoepeling van ecologische beperkingen als gevolg van een toename van de beschikbaarheid van sommige voedingsstoffen. De gedegradeerde eencellige stadia zouden later eenvoudige vormen voor verspreiding of gameten kunnen worden, aangezien de opkomende eigenschappen die samengaan met multicellulariteit, zoals de taakverdeling, ertoe hadden kunnen leiden dat de meercellige fase gedijt als een proliferatieve fase [95].

4. Nieuwe wegen voor onderzoek naar dierlijke oorsprong

Het verbeterde fylogenetische raamwerk van dieren en hun eencellige verwanten, samen met de sequencing van verschillende datasets op omics-schaal, heeft een bijgewerkte reconstructie mogelijk gemaakt van de genomische en biologische kenmerken van zowel de laatste eencellige voorouder van dieren als de dierlijke LCA. Deze vergelijkende studies hebben ook verschillende evolutionaire mechanismen aan het licht gebracht als belangrijke drijvende krachten voor het ontstaan ​​van dieren. We weten nu bijvoorbeeld dat coöptatie van voorouderlijke genen in nieuwe functies, uitbreiding van reeds bestaande GRN's in combinatie met de opkomst van nieuwe genomische reguleringsstrategieën en de geleidelijke verwerving van spatio-temporele celtype-identiteiten, waarschijnlijk de sleutel waren voor de evolutie van dieren . Desalniettemin zijn er nog veel vragen onbeantwoord en zijn verdere studies nodig om volledig te begrijpen hoe deze mechanismen de overgang naar multicellulariteit van dieren kunnen hebben beïnvloed.

Veel genen die cruciaal zijn voor dierlijke multicellulariteit-gerelateerde functies hebben bijvoorbeeld homologen in eencellige holozoën, maar we begrijpen nog steeds niet de functie van deze homologen in niet-metazoën. Bovendien ondergingen sommige genen duplicaties langs de dierlijke stamlijn en hun functies voorafgaand aan duplicatie (en sub- of neofunctionalisatie) zijn niet bekend. De functies van deze genen in bestaande eencellige holozoën zijn niet noodzakelijk identiek aan die in de eencellige voorouders van dieren, maar het begrijpen van hun functie in een eencellige context is essentieel om de rol van coöptatie tijdens de eencellige naar meercellige overgang volledig aan te pakken. In dit opzicht is de ontwikkeling van genetische hulpmiddelen onder eencellige holozoën cruciaal om de functie van deze genen van belang volledig te begrijpen en te beoordelen in welke mate de eencellige holozoan-orthologen vergelijkbare of verschillende functies vervullen in een eencellige context [223]. In de afgelopen jaren hebben onze gezamenlijke inspanningen met succes transfectie ontwikkeld in verschillende eencellige soorten die alle belangrijke eencellige Holozoa-clades vertegenwoordigen [191,193,224-227]. Deze tool heeft al enig inzicht gegeven in de celbiologie van verschillende eencellige holozoën. Bijvoorbeeld transfectie in de choanoflagellaat S. rosetta de eerste toegestaan in vivo karakterisering van septinen, een belangrijke klasse van cytoskeleteiwitten [225]. Interessant is dat de S. rosetta septine-ortholoog gelokaliseerd in de basale polen van de cellen, die lijkt op de lokalisatie van septines in epitheel van dieren [225]. Voorbijgaande transfectie in de filasterean C. owczarzaki onthulde de driedimensionale organisatie van filopodia en actinebundels in levende cellen [224]. In de ichthyospore Creolimax fragrantissima, voorbijgaande transfectie maakte het mogelijk om nucleaire delingen in een groeiende cel te traceren in vivo, en onthulde dat deze divisies strikt gesynchroniseerd waren [193]. Bovendien zijn er ook twee genuitschakelingsstrategieën ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van RNA-interferentie door kleine interfererende RNA's (siRNA) en morfolino's. C. fragrantissima [193]. Deze tool is gebruikt om de functie van c-Src kinase-dierhomoloog gedurende zijn hele levenscyclus, en onthulde dat een bestaande tyrosine-specifieke fosfatase mogelijk werd gecoöpteerd voor de rol van src regulatie in het sterk gereduceerde kinoom van C. fragrantissima [131,193]. Ten slotte is recentelijk ook transfectie ontwikkeld voor twee extra eencellige holozoa-soorten: de ichthyosporean Abeoforma whisleri [227] en de corallochytrean C. limacisporum [191.228]. Beide soorten kunnen tijdelijk worden getransfecteerd met fluorescent gelabelde reportercassettes die endogene genen bevatten, met behulp van dezelfde benadering die is ontwikkeld in S. rosetta [191,225,227]. Inderdaad, C. limacisporum transfectanten kunnen ook stabiel worden onderhouden met behulp van op antibiotica gebaseerde selectie, een strategie die de reconstructie van de levenscyclus van C. limacisporum met een ongekend detailniveau [191]. Meer recentelijk is CRISPR/Cas9-gemedieerde genoombewerkingstool ontwikkeld voor: S. rozetta, nieuwe wegen openen voor onderzoek naar genfunctiestudies met behulp van omgekeerde genetica [226]. In dit scenario verwachten we dat toekomstige inspanningen in twee hoofdrichtingen zullen worden geïnvesteerd. Ten eerste, om te profiteren van de tools die zijn ontwikkeld om de functie van belangrijke dierlijke 'multicellulariteit-gerelateerde' genen te onderzoeken, zoals die welke betrokken zijn bij dierlijke celadhesie, celcommunicatie of transcriptionele regulatie, in de bovengenoemde eencellige holozoa-soorten. En ten tweede, naar het ontwikkelen van genetische hulpmiddelen in een bredere representatie van eencellige holozoa-soorten om het functionele platform van experimenteel hanteerbare systemen verder uit te breiden om dierlijke oorsprong aan te pakken.

Een andere belangrijke hangende vraag betreft genoomregulatie in een bredere vertegenwoordiging van eencellige holozoa-soorten. Tot nu toe waren onze conclusies gebaseerd op de analyse van het regulerende genoom van slechts één enkele soort, de filasterean C. owczarzaki [100]. Op basis van deze studie hebben we geconcludeerd dat de laatste eencellige voorouder van dieren waarschijnlijk een voornamelijk proximale genregulerende strategie volgde, zonder enkele typen dierlijke promotors en handtekeningen van dierlijke versterkers [95,100]. We moeten echter nog steeds het genomische regulerende landschap van andere eencellige holozoa-soorten karakteriseren om het regulerende vermogen van de laatste eencellige voorouder nauwkeurig af te leiden en volledig te begrijpen hoe genoomregulatie evolueerde tijdens de oorsprong van dieren. We verwachten dus dat toekomstig onderzoek zal worden gericht op het vergelijken van het epigenoom (inclusief toegankelijkheid van chromatine en regulerende dynamiek, en transcriptiefactornetwerken) van aanvullende soorten die andere eencellige holozoaire clades vertegenwoordigen (dwz choanoflagellaten, ichthyosporeans en corallochytreans). Dit zal een meer uitgebreide reconstructie mogelijk maken van de regulerende capaciteiten van de laatste eencellige voorouder van dieren, ongeacht of metazoa-achtige distale regulatie al dan niet een dierlijke innovatie was en ook mechanistische inzichten verschaffen in de evolutie van genoomregulatie tijdens de eencellige-naar- meercellige overgang.

We weten ook nog steeds niet hoe dierlijke celtypen verschenen, noch of ruimtelijke celdifferentiatie al was vastgesteld in een eencellige context. Hoewel analyses in de filasterean C. owczarzaki onthulde dat sommige van de mechanismen die nodig zijn voor ruimtelijke celdifferentiatie bij dieren al aanwezig waren in de laatste eencellige voorouder van dieren [100], is aangenomen dat ruimtelijke celdifferentiatie per se geëvolueerd op de Metazoa stengel. We hebben echter nog steeds niet onderzocht of de meercellige structuren die worden vertoond door eencellige holozoa inderdaad zijn samengesteld uit morfologisch en genetisch identieke cellen of, integendeel, zijn samengesteld uit verschillende celtypen. Onlangs heeft de driedimensionale reconstructie van rozetkolonies in de choanoflagellaat S. rosetta heeft onverwacht onthuld dat cellen in rozetkolonies ruimtelijke celongelijkheid vertonen, die aanzienlijk varieert in celgrootte, vorm en nucleaire en mitochondriale inhoud [188,189]. Tegelijkertijd microscoopobservaties in andere eencellige holozoa soorten, zoals in de filasterean C. owczarzaki, hebben ook gewezen op ten minste verschillende celmorfologieën binnen dezelfde meercellige structuur (S.R. Najle 2021, persoonlijke communicatie). Dit geeft aan dat eencellige holozoaire kolonies niet alleen gevormd kunnen worden uit de assemblage van identieke afzonderlijke cellen, maar dat ze vervolgens kunnen differentiëren in verschillende celtypen die morfologische modificaties en mogelijk genetische modificaties vertonen. We verwachten dus dat toekomstige studies gericht zullen zijn op het analyseren van celtypediversiteit op genetisch en morfologisch niveau over de meercellige structuren van verschillende eencellige holozoa-soorten die belangrijke eencellige Holozoa-clades vertegenwoordigen. De integratie van nieuw ontwikkelde eencellige technieken zal inderdaad een unieke kans bieden in deze studies, omdat ze het mogelijk kunnen maken om nieuwe, onontdekte celtypen en handtekeningen van celtype-specifieke genexpressieprofielen te detecteren [2.229-233]. Bovendien zullen moleculaire gegevens met een eencellige resolutie van verschillende dierlijke taxa, vooral bij niet-bilaterian dieren (dwz sponzen, kamgelei en placozoën) [229-232], deze studies ook aanvullen vanuit een vergelijkend perspectief om dierlijke cel- soort evolutie.

Ten slotte voorspellen we ook dat toekomstig onderzoek zal worden gericht op het isoleren en karakteriseren van onvoldoende bestudeerde eencellige holozoa-soorten. In het bijzonder die soorten die vallen binnen of verwant zijn aan verschillende bekende eencellige holozoa-clades die zijn geïdentificeerd op basis van moleculaire milieugegevens, en die soorten die verband houden met potentiële nieuwe eencellige holozoa-clades [86]. Ten eerste omdat de ontdekking van nieuwe eencellige holozoa-soorten de evolutionaire relaties van de boom rondom dieren zal verduidelijken. En ten tweede omdat hun enorme diversiteit aan morfologieën, levensstijlen en genetische repertoires ons zal helpen de genoominhoud en biologische kenmerken van zowel de laatste eencellige voorouder van dieren als de dierlijke LCA te blijven verfijnen.

In de komende jaren zullen de ontwikkeling van opkomende modelsystemen onder eencellige holozoën, gecombineerd met het gebruik van moderne onderzoekstools, ons in staat stellen om deze nieuwe openstaande vragen volledig te beantwoorden met een ongekend detailniveau.We kijken uit naar vorderingen op dit gebied, aangezien we nu een opwindend tijdperk ingaan in de studie van de oorsprong van dieren.

5. Slotopmerkingen

In de afgelopen jaren heeft een enorme hoeveelheid kennis van moleculaire omics niet alleen gezorgd voor een beter fylogenetisch kader van dieren en hun naaste eencellige verwanten, maar ook voor een beter begrip van de evolutionaire geschiedenis van genen die essentieel zijn voor multicellulariteit van dieren. Om deze kennis verder uit te breiden, moeten we ernaar streven ons begrip van de naaste eencellige verwanten van dieren vanuit verschillende perspectieven te verbeteren. Er zijn bijvoorbeeld meer genoomsequenties nodig om de oorsprong van sommige genen die essentieel zijn voor multicellulariteit van dieren beter te kunnen lokaliseren. Bovendien zouden functionele studies van sommige eiwitten ons in staat stellen te begrijpen hoe ze gecoöpteerd konden zijn. Inspanningen op taxonomisch niveau moeten ook de identificatie en isolatie van meer eencellige holozoa-soorten mogelijk maken. Evenzo kan het bestuderen van hun biologie door middel van celbiologische en ontwikkelingsbenaderingen helpen om aanvullende aspecten van hun tijdelijke meercellige stadia en hun potentiële homologie met vergelijkbare structuren bij dieren te ontdekken. Ten slotte belooft de recente invoering van genetische hulpmiddelen in die taxa ook hiertoe bij te dragen. Over het algemeen geloven we dat de komende jaren cruciaal zullen zijn om deze overgang beter te begrijpen en we zijn enthousiast over, maar vooral enthousiast om te beginnen, met het ontrafelen van de oorsprong van dieren.


2,4-D: het gevaarlijkste bestrijdingsmiddel waar je nog nooit van hebt gehoord

Een van de goedkoopste en meest voorkomende onkruidverdelgers van het land heeft een naam die je waarschijnlijk nog nooit hebt gehoord: 2,4-D. Dit herbicide, ontwikkeld door Dow Chemical in de jaren 1940, hielp de schone, groene, ongerepte gazons van het naoorlogse Amerika binnen te komen, waarbij achtertuinen overal werden bevrijd van esthetische ongewenste zaken zoals paardenbloem en witte klaver. Maar 2,4-dichloorfenoxyazijnzuur, zoals het bij chemici bekend is, heeft een minder heilzame kant. Er is een groeiend aantal wetenschappelijke bewijzen dat de chemische stof een gevaar vormt voor zowel de menselijke gezondheid als het milieu.

Het pesticide, dat niet alleen grassen maar ook groenten en fruit laat bloeien, kan zowel de wortels als de bladeren van onkruid aantasten door de cellen van de ongewenste plant uit de hand te laten lopen - een beetje zoals het induceren van kanker in de plant om het te doden of drastisch te vertragen zijn verspreiding. Het wordt veel gebruikt in de landbouw in soja-, maïs-, suikerriet- en tarwevelden, en het komt voor in de meeste "onkruid- en voer" -producten en in veel gazonbehandelingen. Het probleem is dat het herbicide dat ooit als schoon en groen werd beschouwd, volgens de huidige normen misschien niet langer veilig is.

Het bewijs stapelt zich langzaam op, maar is nog niet overtuigend. Het is niet altijd gemakkelijk om te bepalen of een bepaalde stof schade veroorzaakt of toevallig aanwezig is wanneer een andere agent de schuld heeft. Experts op het gebied van de volksgezondheid kunnen niet altijd een harde conclusie trekken uit onderzoeken waarvan de methodologieën wetenschappelijke nauwkeurigheid missen. Neem het verband tussen chronische blootstelling aan 2,4-D en kanker: "Het bewijs is niet duidelijk genoeg om met vertrouwen conclusies te trekken, maar het is beter om voorzorgsmaatregelen te nemen om mogelijke kankers te voorkomen dan te wachten op meer bewijs", zegt Jennifer. Sass, een senior wetenschapper bij NRDC.

Onderzoekers hebben duidelijke verbanden waargenomen tussen blootstelling aan 2,4-D en non-Hodgkin-lymfoom (een bloedkanker) en sarcoom (een kanker van de weke delen). Maar beide kunnen worden veroorzaakt door een aantal chemicaliën, waaronder dioxine, dat tot het midden van de jaren negentig vaak werd gemengd in formuleringen van 2,4-D. Niettemin verklaarde het Internationaal Agentschap voor Kankeronderzoek in 2015 2,4-D mogelijk kankerverwekkend voor de mens, op basis van bewijs dat het menselijke cellen beschadigt en in een aantal onderzoeken kanker veroorzaakte bij proefdieren.

Meer overtuigend is het bewijs dat 2,4-D valt in een klasse van verbindingen die hormoonontregelende chemicaliën worden genoemd, verbindingen die de hormonen van het lichaam nabootsen of remmen. Laboratoriumstudies suggereren dat 2,4-D de normale werking van oestrogeen, androgeen en, het meest overtuigende, schildklierhormonen kan belemmeren. Tientallen epidemiologische, dier- en laboratoriumstudies hebben een verband aangetoond tussen 2,4-D en schildklieraandoeningen. "Dat is heel belangrijk als we aan ontwikkeling denken", zegt Kristi Pullen, een stafwetenschapper in het gezondheidsprogramma van NRDC. "Onze schildklier werkt om de juiste timing en ontwikkeling van de hersenen te garanderen."

Er zijn meldingen dat 2,4-D de vruchtbaarheid kan verminderen en het risico op geboorteafwijkingen kan verhogen. Maar hoewel foetussen, zuigelingen en kinderen het grootste risico lopen, is er in geen enkel onderzoek gekeken naar de effecten van 2,4-D op die groepen.

Ondanks zorgen over mogelijke gezondheidsrisico's keurde het Amerikaanse Environmental Protection Agency in 2014 het gecombineerde gebruik van 2,4-D en de populaire onkruidverdelger Roundup goed (ook bekend als glyfosaat, een heel ander - en in veel opzichten zorgwekkender - verhaal toen het gaat om gezondheid en milieu). Enlist Duo, zoals de combo heet, was al legaal in verschillende staten. Het wordt voornamelijk gebruikt op grote boerderijen, waar het wordt gesproeid op genetisch gemodificeerde gewassen genaamd Enlist-soja en Enlist-maïs die zijn ontwikkeld om resistent te zijn tegen de gifstoffen.

Met andere woorden, boeren kunnen hun velden nu overgieten met hoge concentraties van de onkruidverdelger zonder zich zorgen te hoeven maken dat het ook hun gewassen zal vernietigen. Oorspronkelijk werden planten die genetisch gemanipuleerd waren om Roundup te weerstaan, alleen met dat herbicide besproeid. Maar toen het onkruid dat het moest doden ook resistentie ontwikkelde, werd 2,4-D toegevoegd om de mix effectiever te maken. Zoals Pullen het stelt: "Deze chemicaliën kunnen op zichzelf al problematisch zijn, maar wanneer we ze gaan combineren met andere giftige chemicaliën, creëren we gewoon een nieuw probleem om een ​​ander probleem op te lossen."

Het Amerikaanse ministerie van landbouw schat dat in 2020 het gebruik van 2,4-D op Amerikaanse boerderijen tussen de 100 en 600 procent kan stijgen nu het is goedgekeurd als onderdeel van Enlist Duo. Volgens Pullen: "Als je een verhoogd gebruik combineert met het potentieel voor verhoogde ontwikkelings-, kanker- en andere gezondheidseffecten, zou je een perfecte storm van gevaar en blootstelling kunnen creëren."

Ook problematisch: 2,4-D blijft in de omgeving hangen. Afhankelijk van de formulering kan het door de lucht drijven vanaf de velden waar het wordt gespoten of in huizen worden gevolgd door huisdieren of kinderen. Op eigen initiatief van de EPA is 2,4-D al aangetoond in grond- en oppervlaktewater, maar ook in drinkwater. Australische wetenschappers meldden in 2012 dat het werd gevonden in meer dan 90 procent van de monsters genomen uit landbouwstroomgebieden die grenzen aan het Great Barrier Reef - slecht nieuws voor veel vissen, voor wie het herbicide giftig kan zijn. Het kan ook kleine zoogdieren vergiftigen, inclusief honden die het kunnen inslikken na het eten van gras dat is behandeld met 2,4-D.

De gemakkelijkste manier om 2,4-D te vermijden, is door de producten die het bevatten te vermijden. U kunt bij uw gemeente navragen of 2,4-D in bepaalde parken wordt gebruikt. U kunt ook een bezoek brengen aan de website van het National Pesticide Information Centre, die gemakkelijk leesbare factsheets heeft over 2,4-D en de meeste andere pesticiden. Als u denkt dat u, uw kind of uw huisdier in contact zijn geweest met planten die onlangs zijn behandeld met 2,4-D of een ander bestrijdingsmiddel, neem dan contact op met een antigifcentrum.


Die knuffelige kat is dodelijker dan je denkt

Voor alle schattige beelden van katten die piano spelen, het toilet doorspoelen, melodieus miauwen en over honderden kilometers hun weg terug naar huis vinden, hebben wetenschappers een schokkende nieuwe waarheid ontdekt: katten zijn veel dodelijker dan iemand zich realiseerde.

In een rapport waarin lokale onderzoeken en pilotstudies werden opgeschaald naar nationale dimensies, schatten wetenschappers van het Smithsonian Conservation Biology Institute en de Fish and Wildlife Service dat huiskatten in de Verenigde Staten - zowel de pluizige huisdieren die een deel van de dag buiten doorbrengen als de naamloze zwerfdieren en wilde dieren die het nooit verlaten - doden gemiddeld 2,4 miljard vogels en 12,3 miljard zoogdieren per jaar, de meeste van hen inheemse zoogdieren zoals spitsmuizen, eekhoorns en woelmuizen in plaats van geïntroduceerd ongedierte zoals de Noorse rat.

De geschatte sterftecijfers zijn twee tot vier keer hoger dan de sterftecijfers die eerder werden genoemd, en positioneren de huiskat als een van de grootste menselijke bedreigingen voor dieren in het wild in de natie. Volgens het rapport sterven er meer vogels en zoogdieren door de mond van katten dan door auto-aanvallen, pesticiden en vergiften, botsingen met wolkenkrabbers en windmolens en andere zogenaamde antropogene oorzaken.

Peter Marra van het Smithsonian Conservation Biology Institute en auteur van het rapport, zei dat de sterftecijfers die uit het nieuwe model naar voren komen "schokkend hoog zijn".

"Toen we het model uitvoerden, wisten we niet wat we konden verwachten", zegt Dr. Marra, die de analyse uitvoerde met een collega, Scott R. Loss, en Tom Will van de Fish and Wildlife Service. "We waren absoluut verbluft door de resultaten." Het onderzoek verscheen dinsdag in het tijdschrift Nature Communications.

De bevindingen zijn de eerste serieuze schatting van hoeveel dieren in het wild Amerika's enorme populatie van vrij rondlopende huiskatten elk jaar weet te doden.

"We bespreken dit probleem van katten en dieren in het wild al jaren en jaren, en nu hebben we eindelijk wat goede wetenschap om de cijfers vast te stellen", zei George H. Fenwick, de president en chief executive van de American Bird Conservancy. "Dit is een grote sprong voorwaarts ten opzichte van de kwaliteit van het onderzoek dat we eerder hadden."

Bij het ontwerpen van hun wiskundig model hebben de onderzoekers systematisch de bestaande wetenschappelijke literatuur over interacties tussen katten en dieren in het wild doorzocht, studies geëlimineerd waarin de steekproefomvang te klein was of de resultaten te extreem, en vervolgens de bevindingen van de 21 meest rigoureuze onderzoeken geëxtraheerd en gestandaardiseerd. . De resultaten komen weliswaar met brede marges en onzekerheden.

Afbeelding

Desalniettemin zal het nieuwe rapport waarschijnlijk het soms venijnige debat aanwakkeren tussen milieuactivisten die vrij rondlopende huiskatten zien als een invasieve soort - superpredatoren waarvan het aantal wereldwijd groeit, zelfs als de zangvogels en vele andere dieren waarop de katten jagen in verval zijn - en Voorvechters van dierenwelzijn die ontsteld zijn door de miljoenen ongewenste katten (en honden) die elk jaar in dierenasielen worden geëuthanaseerd.

Iedereen is het erover eens dat huiskatten niet naar believen in de buurt mogen rondscharrelen, net zomin als een hond, paard of hangbuikzwijn, en dat kattenbezitters die volhouden dat hun katachtigen een beetje vrijheid "verdienen", onverantwoordelijk zijn en uiteindelijk niet erg katvriendelijk. Door recente projecten zoals Kitty Cams aan de Universiteit van Georgia, waarbij camera's aan de halsbanden van katten binnenshuis en buitenshuis worden bevestigd om hun activiteiten te volgen, zijn niet alleen katten gefilmd die op kardinalen, kikkers en veldmuizen jagen, ze zijn ook getoond terwijl ze antivries en rioolslib opslurpen, onder rijdende auto's doorduiken en heftig sparren met veel grotere honden.

"We hebben veel moeite gedaan om mensen te leren dat ze hun katten niet buiten moeten laten, dat het slecht is voor de katten en het leven van de katten kan verkorten", zegt Danielle Bays, de manager van de kattenprogramma's van de gemeenschap bij de Washington Humane Society.

Toch schat de nieuwe studie dat vrij rondlopende huisdieren slechts ongeveer 29 procent uitmaken van de vogels en 11 procent van de zoogdieren die elk jaar door huiskatten worden gedood, en het echte probleem ontstaat over hoe de ongeveer 80 miljoen zwerfkatten of verwilderde katten moeten worden beheerd die het grootste deel van de slachting van wilde dieren plegen.

De Washington Humane Society en vele andere dierenwelzijnsorganisaties ondersteunen het gebruik van steeds populairder wordende trap-castratieprogramma's, waarbij niet-eigen katten worden gevangen, gevaccineerd, gesteriliseerd en, als er geen huis voor hen kan worden gevonden, teruggebracht naar de buitenkolonie van die ze kwamen. Voorstanders zien deze aanpak als een humaan alternatief voor grootschalige euthanasie, en ze houden vol dat een kolonie gecastreerde katten zich niet kan voortplanten en dus uiteindelijk zal verdwijnen.

Natuurbeschermers zeggen dat, in plaats van de populatie van katten die geen eigenaar zijn, te verminderen, programma's voor het vangen en vrijlaten het erger maken, door mensen aan te moedigen hun huisdieren over te laten aan buitenkolonies die vrijwilligers vaak liefdevol voeren.

"Het aantal vrij rondlopende katten groeit definitief", zei Dr. Fenwick van de vogelbescherming. “Naar schatting zijn er nu meer dan 500 T.N.R. kolonies in Austin alleen.”

Het zijn kolonies van gesubsidieerde roofdieren, zei hij, die in veel grotere concentraties kunnen overleven dan wilde carnivoren vanwege hun aantrekkingskracht op mensen. "Ze zijn niet zoals coyotes, die hun weg moeten vinden in de wereld", zei hij.

Maar zelfs gevoede katten zijn diep afgestemd op de jacht, en wanneer ze iets zien fladderen, kunnen ze niet anders dan naar binnen gaan om te doden. Dr. Fenwick stelt dat er veel meer moeite moet worden gedaan om dieren te adopteren. "Voor de overgrote meerderheid van gezonde katten," zei hij, "zijn er huizen te vinden." Alle buitenkolonies die overblijven, moeten worden ingesloten, zei hij. "Katten hoeven niet honderden kilometers te dwalen om gelukkig te zijn," zei hij.


Positieve feedbacklus

Een positieve feedbacklus handhaaft de richting van de stimulus en versnelt deze mogelijk. Er zijn maar weinig voorbeelden van positieve feedbackloops in dierlijke lichamen, maar één wordt gevonden in de cascade van chemische reacties die leiden tot bloedstolling of coagulatie. Wanneer één stollingsfactor wordt geactiveerd, activeert deze de volgende factor in volgorde totdat een fibrinestolsel is bereikt. De richting wordt gehandhaafd, niet veranderd, dus dit is positieve feedback. Een ander voorbeeld van positieve feedback zijn de samentrekkingen van de baarmoeder tijdens de bevalling, zoals geïllustreerd in figuur 2. Het hormoon oxytocine, gemaakt door het endocriene systeem, stimuleert de samentrekking van de baarmoeder. Dit veroorzaakt pijn die door het zenuwstelsel wordt waargenomen. In plaats van de oxytocine te verlagen en de pijn te laten verdwijnen, wordt er meer oxytocine aangemaakt totdat de weeën krachtig genoeg zijn om tot een bevalling te komen.

Kunstverbinding

Geef aan of elk van de volgende processen wordt gereguleerd door een positieve feedbacklus of een negatieve feedbacklus.

  1. Een persoon voelt zich verzadigd na het eten van een grote maaltijd.
  2. Het bloed bevat veel rode bloedcellen. Hierdoor komt erytropoëtine, een hormoon dat de aanmaak van nieuwe rode bloedcellen stimuleert, niet meer vrij uit de nier.

De Universiteit van Brits-Columbia

Toegepaste Dierbiologie is bedoeld voor studenten die met dieren willen studeren en/of werken. Het biedt studenten de basisprincipes van diergedrag, dierfysiologie en aanverwante gebieden zoals toegepast op boerderij-, gezelschaps- en andere dieren. Het stelt studenten ook bloot aan de rol van dieren in de menselijke samenleving en de ethische, ecologische en andere problemen die zich voordoen. Het biedt training in onderzoeksvaardigheden die nodig zijn voor afstudeerwerk, en (met de juiste selectie van cursussen) bereidt studenten voor op toelating tot diergeneeskunde en menselijke geneeskunde. Studenten hebben verschillende mogelijkheden om praktijkervaring op te doen op boerderijen en in laboratoria, dierenasielen en opvangcentra voor dieren in het wild.

Diploma-eisen

Eerste jaar
LFS 100 1
LFS 150 of ENGL 112 of WRDS 150 1 3
BIOL 112 &121 6
BIOL 140 2
CHEM 121 (of 111) 2 4
CHEM 123 (of 113) 4
MATH 102 of gelijkwaardig 3 3
PHYS 101, 107 of 117 4 3
Beperkte keuzevakken 5 3
Vrije keuzevakken 6 3
Totaal tegoed 32
Tweede jaar
LFS 250 6
LFS 252 (of FRST 231 of BIOL 300) 3
BIOL 200 & 201 6
CHEM 233 & 235 4
MICB 201 3
Beperkte keuzevakken 5 9
Totaal tegoed 31
Derde jaar
Beperkte keuzevakken 5 24
Vrije keuzevakken 6 6
Totaal tegoed 30
Vierde jaar
Beperkte keuzevakken 5 15
Vrije keuzevakken 6 15
Totaal tegoed 30
Totaal vier jaar totaal 6 123
1 Of een gelijkwaardige cursus om aan de communicatievereiste te voldoen.
2 CHEM 111 is niet voor studenten met scheikunde 12.
3 Studenten die Calculus 12 niet hebben voltooid, moeten MATH 180 of 184 nemen om aan hun eerstejaars wiskundevereiste te voldoen.
4 Studenten zonder studiepunten voor natuurkunde 12 moeten eerst PHYS 100 volgen voordat ze andere PHYS-cursussen van het 100-niveau volgen.
5 Te selecteren in overleg met een opleidingsadviseur. Bevat doorgaans cursussen in APBI, BIOL en FNH. Voor voorgestelde cursussen zie Beperkte keuzevakkenlijst.
6 Onbeperkte keuzevakken van het derde en vierde jaar moeten worden gekozen uit cursussen van 300 of 400 niveaus.
7 Minimaal 45 studiepunten van de 123 studiepunten die vereist zijn voor de Major moeten afkomstig zijn uit cursussen met een nummer van 300 of hoger.

Honoursprogramma Toegepaste Dierbiologie

Het honoursprogramma Applied Animal Biology is bedoeld voor bijzondere studenten met interesse in onderzoek. Studenten die geïnteresseerd zijn in een loopbaan in onderzoeksintensieve gebieden, waaronder diergeneeskunde, biomedische wetenschappen, dierenwelzijn, diervoeding en natuurbehoud, kunnen vooral profiteren van deze kans.

Wie moet solliciteren?

Dit programma accepteert alleen studenten met zowel een sterk academisch record als interesse in onderzoek.

Erkenning

Succesvolle aanvragers hebben een cumulatief gemiddelde van meer dan 75%.

Sollicitatie

Studenten melden zich tegen het einde van hun tweede studiejaar aan bij het Studentenservicebureau van de faculteit Land- en Voedselsystemen. De aanvrager moet een brief schrijven waarin hij uitlegt waarom hij zich wil inschrijven, zijn carrièredoelen en eventuele eerdere of huidige onderzoekservaring die hij heeft.

Succesvolle kandidaten

Succesvolle aanvragers die zijn toegelaten tot het Honours Programme moeten minimaal 132 studiepunten behalen in plaats van de 123 studiepunten die nodig zijn om af te studeren met een diploma Toegepaste Dierbiologie. Van deze 132 studiepunten moeten er 48 worden gekozen uit de lijst Applied Animal Biology Restricted Electives. Studenten moeten hun diploma binnen maximaal 5 kalenderjaren behalen. Gedurende het derde en vierde jaar mogen Honours-studenten geen enkele poging tot cursussen mislukken, moeten minimaal 30 studiepunten per kalenderjaar behalen en minimaal 70% behouden in elke voltooide cursus van 300 en 400 niveaus. Studenten die niet aan deze eisen voldoen, gaan door naar de major Applied Animal Biology en komen niet meer in aanmerking voor een verblijf in het Honours Programme.

Benodigde cursussen

APBI 499 scriptiecursus

Aan het einde van hun derde studiejaar wordt van de studenten verwacht dat ze contact opnemen met een toekomstige begeleider voor de APBI 499 scriptiecursus om mogelijke scriptieonderwerpen te bespreken. Voor aanvang van de scriptie wordt verwacht dat de student een scriptie-aanvraag/voorstelformulier heeft ingevuld en goedgekeurd door de aankomend begeleider.

Voordelen van een scriptie

De APBI 499-scriptie geeft studenten de mogelijkheid om nauw samen te werken met een supervisor en op een gevorderd niveau met materiaal te werken. Deze ervaring geeft studenten een idee van hoe het is om op graduaatniveau te werken, gedurende vele maanden aan een enkel onderwerp. De scriptie zal ook ervaring bieden in academisch schrijven en communicatie.

Voordelen van het Honoursprogramma

Afgestudeerden van het programma hebben:
1.hebben aangetoond dat ze in staat zijn om te slagen in een uitdagend studieprogramma
2. blootstelling gekregen aan een breed scala aan onderwerpen in de toegepaste dierbiologie
3. diepgaande ervaring in een of meer onderzoeksgebieden
4. werkte nauw samen met docenten en andere onderzoekers
5. verworven vaardigheden in onafhankelijk onderzoek en mondelinge en schriftelijke communicatie die nuttig zijn voor een breed scala aan professionele loopbanen in kennisintensieve industrieën


Toegangsopties

Krijg volledige toegang tot tijdschriften voor 1 jaar

Alle prijzen zijn NET prijzen.
De btw wordt later bij het afrekenen toegevoegd.
De belastingberekening wordt definitief tijdens het afrekenen.

Krijg beperkte of volledige toegang tot artikelen op ReadCube.

Alle prijzen zijn NET prijzen.


Het menselijke spijsverteringskanaal: graad 9 begrip voor IGCSE-biologie 2.27

Een menselijk lichaam lijkt in veel opzichten op een pakje polomuntjes. Dit zijn beroemde pepermuntjes in het VK omdat ze een gat in het midden hebben. Ons lichaam is verdeeld in segmenten (een beetje zoals het pakje polo's) en we hebben een buis die door het midden van ons loopt. Deze buis heet de Spijsverteringskanaal (of Darm) en zijn functie in het lichaam is de vertering en absorptie van voedselmoleculen (zie later bericht over '8220Stages of Processing Food'8221)

De Spijsverteringskanaal is opgedeeld in gespecialiseerde regio's, elk met zijn eigen specifieke functies die te maken hebben met de verwerking van voedsel. Sommige van deze organen en hun functies moeten u een beetje begrijpen.

Het eerste is om ervoor te zorgen dat je kunt label een diagram van het menselijke spijsverteringsstelsel zoals hierboven weergegeven. Controleer of u de volgende structuren nauwkeurig kunt identificeren:

mond, tong, tanden, speekselklieren, slokdarm, maag, lever, galblaas, galkanaal, pancreas, ductus pancreaticus, twaalfvingerige darm, ileum, colon, appendix, rectum, anus

Hier is een goed diagram om te gebruiken om uw etikettering van het menselijke spijsverteringsstelsel te controleren:

De mond is eigenlijk de naam voor de opening aan de bovenkant van het spijsverteringskanaal in plaats van de kamer erachter. Als je echt precies wilt zijn, zou je deze kamer met de tong en de tanden bij de juiste naam moeten noemen, de mondholte. De mond is de opening waardoor een dier kan inslikken voedsel. In de mondholte is de tanden kan het voedsel in kleinere stukjes hakken en de tong kan het voedsel in een bal (bolus) verplaatsen om door te slikken. Het voedsel wordt geproefd in de mondholte en er zijn veel chemoreceptoren op de tong en in de neusholte die deze functie vervullen. Er zijn drie sets van speekselklieren rond de mondholte en deze scheiden een waterige vloeistof af, speeksel te mengen met het ingenomen voedsel. Speeksel is alkalisch om het tandglazuur te helpen beschermen tegen zuurbederf door bacteriën, maar bevat ook een spijsverteringsenzym, speekselamylase dat begint het proces van vertering van zetmeel in de mond. Speekselamylase katalyseert de hydrolysereactie waarbij zetmeel, een polysacharide, wordt verteerd in de disacharide maltose.

2 slokdarm

De slokdarm is de buis die de voedselbal van de achterkant van de keel door de thorax en naar beneden in de maag draagt. Het spijsverteringskanaal heeft over de gehele lengte spierlagen in de wand. Deze lagen gladde spieren kunnen op een antagonistische manier samentrekken en ontspannen om de bolus door de buis te duwen. Er zijn twee hoofdtypen gladde spieren in de wand van het spijsverteringskanaal circulaire vezels zijn gerangschikt rond de omtrek van de buis en longitudinaal vezels zijn gerangschikt langs de lengte van de buis. Deze golven van afwisselende samentrekking en ontspanning worden peristaltiek.

De maag is een gespierd opslagorgaan dat voedsel ongeveer 3-4 uur erin houdt voordat het in kleine hoeveelheden in de twaalfvingerige darm wordt gespoten. De spierlagen in de maagwand karnen het voedsel en vermengen het met de afscheidingen uit het maagslijmvlies. Deze afscheidingen worden genoemd maagsap en bevatten een mengsel van zoutzuur, slijm en een spijsverteringsenzym pepsine. Het zuur maakt het maagsap over het algemeen erg zuur, rond de pH 1,5. Deze zuurgraad maakt deel uit van de niet-specifieke afweer van het lichaam tegen bacteriën, aangezien de extreme pH bijna alle bacteriën in het voedsel doodt. Het slijm is belangrijk omdat het de cellen aan de binnenkant van de maag beschermt tegen de zuurgraad. Pepsine is een spijsverteringsenzym dat de vertering van eiwitten start. Het katalyseert een hydrolysereactie waarbij eiwitten worden afgebroken tot kleinere moleculen die polypeptiden worden genoemd. Pepsine is een ongebruikelijk enzym omdat het een optimale pH heeft van ongeveer 1,5.

4 dunne darm

Ik zal later deze week een hele post over de dunne darm schrijven, want er is genoeg voor je om te begrijpen over dit deel van het spijsverteringskanaal. Alles wat ik hier wil zeggen is dat het is verdeeld in de twaalfvingerige darm dat is waar bijna alle spijsvertering reacties plaatsvinden en de ileum die is aangepast voor efficiënte absorptie van de verteringsproducten in het bloed. (zie post later in de week als je meer wilt weten….)

5 dikke darm

Het grootste deel van de dikke darm bestaat uit een orgaan dat de dikke darm. De dikke darm heeft verschillende functies. Het is waar water uit alle verschillende afscheidingen weer in het bloed wordt opgenomen, waardoor een vast afval wordt geproduceerd, genaamd uitwerpselen. (Water dat u drinkt, wordt veel eerder door het maagslijmvlies opgenomen in het spijsverteringskanaal) Er zijn ook enkele minerale zouten en vitamines die in de bloedbaan in de dikke darm worden opgenomen. De dikke darm is ook de thuisbasis van een gevarieerde populatie van bacteriën, de zogenaamde darmflora. Feces wordt opgeslagen in het laatste deel van de dikke darm dat de rectum.

De alvleesklier maakt geen deel uit van het spijsverteringskanaal (hoewel ik niet zeker weet of de persoon die de specificatie heeft geschreven dat op prijs stelde). Het is een voorbeeld van wat een accessoire orgel voor het spijsverteringsstelsel. De alvleesklier is een heel interessant orgaan omdat het verschillende celtypes bevat die twee volledig gescheiden functies vervullen. De meerderheid van de cellen in de pancreas scheiden een hele lading spijsverteringsenzymen af ​​in een alkalische secretie genaamd alvleeskliersap. Er is een buis, de ductus pancreaticus genaamd, die het pancreassap draagt ​​en het in de twaalfvingerige darm leegt, waar het zich kan vermengen met de zure chymus die uit de maag komt.

Er zijn kleine clusters van een ander soort cel in de pancreas. Dit zijn de eilandjes van Langerhans die de hormonen afscheiden insuline en glucagon in de bloedbaan. Deze twee pancreashormonen regelen samen de bloedglucoseconcentratie.


Onderzoekers van het Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Duitsland en het Centraal Instituut voor Experimentele Dieren in Japan injecteerden ARHGAP11B, een mensspecifiek gen dat normaal niet aanwezig is in apen, in de donkere materie van foetussen van zijdeaapjes. Ze concludeerden dat de hersenen van de apen menselijker werden door grotere, meer geavanceerde neocortexen te ontwikkelen. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.

De neocortex vormt de buitenste schil van de hersenen en is goed voor bijna 75% van de totale omvang. Het is betrokken bij hersenfuncties van hogere orde, zoals zintuiglijke waarneming, cognitie, het genereren van motorische commando's, ruimtelijk redeneren en taal. De menselijke neocortex is ongeveer drie keer groter dan die van onze naaste verwanten, de chimpansees, en het vouwen ervan tot rimpels, een aspect dat werd versterkt door ARHGAP11B, nam tijdens de evolutie toe om in de beperkte ruimte van de schedel te passen. De motivatie voor de studie was een interesse in hoe de menselijke neocortex zo groot werd.

Er wordt aangenomen dat de genduplicatie die ARHGAP11B creëerde, die stamcellen in het menselijk brein aanstuurt, plaatsvond in de menselijke evolutie na de afwijking van de chimpansee-afstamming maar vóór de afwijking van de Neanderthalers, ongeveer vijf miljoen jaar geleden. Dit komt overeen met de overtuiging dat de neocortex ook relatief laat in de menselijke evolutie is geëvolueerd. De resultaten van de studie suggereren dat het ARHGAP11B-gen de neocortex-expansie tijdens de menselijke evolutie mogelijk heeft veroorzaakt.

Aaphersenen verdubbeld in omvang: bijna menselijk

De onderzoekers merkten op dat de gemodificeerde apenhersenen bijna verdubbelden in grootte rond 100 dagen na de zwangerschap, 50 dagen voor de normale geboortedatum.

"We ontdekten inderdaad dat de neocortex van de hersenen van de gewone zijdeaap vergroot was en het hersenoppervlak gevouwen", zei studieauteur Michael Heide.

Het experiment: problematisch volgens de Thorawet

Maar deze nieuwe studie roept zelfs nog meer vragen op voor bijbels ingestelde mensen. Volgens een persbericht werden de apenfoetussen geaborteerd vanwege "onvoorziene gevolgen", maar als ze waren geboren, hadden de wetenschappers al een naam voor hen "transgene niet-menselijke primaten". Abortus bij mensen is natuurlijk verboden door de Torah, hoewel abortus bij dieren dat niet is. De nieuwe soort die in dit onderzoek werd gecreëerd, was genetisch vergelijkbaar met mensen en het beëindigen van de ontwikkeling van de foetussen kan worden verboden.

Rabbi Moshe Avraham Halperin van de Machon Mada'i Technology Al Pi Halacha (het Instituut voor Wetenschap en Technologie volgens de Joodse Wet) verklaarde in reactie op het rapport dat er duidelijke Torah-richtlijnen zijn voor deze nieuwe technologie. Rabbi Halperin verwees naar de Bijbelse wet betreffende het mengen van soorten.

Gij zult uw vee niet van verschillende soorten laten geslacht; gij zult uw veld niet bezaaien met gemengd zaad; en een kleed van linnen en wol zal over u komen. Leviticus 19:19

"Het is verboden om een ​​schepsel te creëren dat een mengsel van soorten is, maar zolang ze geen nieuw schepsel voortbrengen met een andere vorm, is het toegestaan", zei Rabbi Halperin. Israël365 Nieuws .

Hij merkte echter op: “Het verbeteren van soorten, zelfs het menselijk ras, is niet verboden door de Joodse wet. Het veranderen van de kleur van de huid of het haar is toegestaan, zeker als het gaat om het verwijderen van genetische aandoeningen. Maar het proces heeft zeker toezicht nodig.”

Nephilim: seksuele zonde van het mengen van soorten

Het mengen van soorten wordt in de Bijbel beschreven op een manier die verontrustend veel lijkt op het experiment waarbij menselijk genetisch materiaal wordt gemengd met zich ontwikkelende apenfoetussen. In Genesis kruisten 'goddelijke wezens' en, later, Nephilim zich met menselijke vrouwen . Het resultaat was zo weerzinwekkend voor God dat hij de levensduur van de mens ernstig beperkte.

De goddelijke wezens zagen hoe mooi de dochters van mannen waren en namen vrouwen uit degenen die hen behaagden. Hasjem zei: "Mijn adem zal niet voor altijd in de mens blijven, aangezien ook hij vlees is, laten de dagen die hem toelaten honderdtwintig jaar zijn." Het was toen, en ook later, dat de Nephilim op aarde verschenen - toen de goddelijke wezens samenwoonden met de dochters van de mensen, die hun nakomelingen schonken. Het waren de helden van weleer, de mannen van naam. Genesis 6:2-4

Direct daarna werden de mensen slecht en besloot God een vloed te brengen om al het leven te vernietigen. Volgens de Joodse traditie werden de dieren gedood omdat ze even schuldig waren omdat ze deel uitmaakten van de seksuele zonden van de mens. Het kan zijn dat naast dat de zonde van bestialiteit gebaseerd is op de seksuele daad, het vermengen van het genetisch materiaal van twee soorten ook verboden is.

Dit verband tussen seksuele zonde en het vermengen van soorten, dier en mens evenals mens en bijna goddelijke wezens, werd opgemerkt door Rabbi Josef Berger, rabbijn van het graf van koning David op de berg Sion. Rabbi Berger legde uit dat het vers dat het mengen van dierenrassen verbiedt, direct voorafging aan een gedeelte van de Torah dat handelt over seksuele ongepastheid.

En wie vleselijk ligt met een vrouw, dat is een dienstmaagd, verloofd met een man, en in het geheel niet verlost, noch haar de vrijheid gegeven zal worden gegeseld, die zal niet ter dood worden gebracht, omdat ze niet vrij was. Leviticus 19:20

De rabbijn legde het verband uit tussen de twee verschillende geboden.

"Dit komt ook tot uiting in de zonde van de generatie van Noach, die volgens de Joodse traditie de verboden vermenging van dieren en mensen was", zei Rabbi Berger. Israël365 Nieuws , onder verwijzing naar Genesis.

En Hasjem zei: 'Ik zal de mens, die Ik heb geschapen, van de aardbodem uitwissen, zowel mens als beest, kruipend gedierte en gevogelte des hemels, want het berouwt Mij dat Ik ze heb gemaakt.' Genesis 6:7

“De generatie van Noach zondigde seksueel, maar dat kwam tot uiting in het vermengen van soorten,” legde hij uit.

“Deze seksuele zonde zou het komende Messiaanse tijdperk kunnen voorkomen, aangezien de verbinding tussen man en vrouw een heilig onderdeel is van het proces van geula (aflossing). Dit is de basis van de eis om vruchtbaar te zijn en zich te vermenigvuldigen: brengen Mosjiach (Messias)."

Rabbi Berger benadrukte dat dit: mitswa (Torah gebod) vereist een juiste mate van zuiverheid. Vermenging van soorten is een onjuiste manifestatie van voortplanting die leidde tot de vernietiging van de generatie van Noach.


Bekijk de video: WAT IS BIOLOGIE? (Januari- 2022).