Meglepő, miből fejlődött ki a rovarszárny

Hogyan lett a rovaroknak szárnya? Ez nem egy mesecím, hanem komoly tudományos kérdés. A válasz ráadásul nem magától értetődő: az evolúciós viszonyok és az embrionális fejlődés tanúságai egyértelműen ezt mutatják, hogy a rovarszárny hajdanvolt tengeri rákok lábnyúlványaiból származik.

A rovarszárny eredetének kérdése – úgy evolúciós, mint egyedfejlődési értelemben, mert hogy e kettő szorosan összefügg – több mint egy évszázada foglalkoztatja a biológusokat.

Bár a rovarok voltak a Föld történetében az első élőlények, amelyek meghódították az eget, a kutatók a XIX. század óta hiába próbálták visszafejteni a rovarok szárnyának evolúciós előtörténetét. A rovarszárny a gerincesek hasonló nevű képletétől gyökeresen különbözik: valamennyi repülő gerincesben, lett légyen az bár őshüllő, madár vagy emlős, a szárnyak az elülső végtagokból alakultak ki, méghozzá az említett rendszertani csoportokban egymástól teljesen függetlenül.

A rovarok ellenben a szárnyat hordozó első két torszelvényükön lábakat és szárnyakat egyaránt birtokolnak, ami egyértelműen jelzi, hogy esetükben a szárny nem a járólábak módosulata.

Forrás: Bruno Guenard / Biosphoto

Ötletes, olykor egymást kölcsönösen kizáró elméletek láttak napvilágot az utóbbi években a rovarszárny evolúciójáról, ám egyik sem volt minden szempontból kielégítő. Most a woods hole-i (Massachusetts, USA) Tengerbiológiai Laboratórium (Marine Biological Laboratory, MBL) kutatócsoportja egyszer és mindenkorra lezárta a vitát. A Nature Ecology & Evolution szaklapban megjelent tanulmányuk régi tudományos cikkekben közölt megfigyeléseket a legmodernebb genomikai eszközökkel kombinálva végére járt a kérdésnek: kétséget kizáróan megállapították, hogy

a rovarszárny ősi tengeri rákok lábainak lebenyszerű kinövéseiből származik.

Azután, hogy a rákok egyes csoportjai mintegy 300 millió évvel ezelőtt elhagyták a tengert, lábaiknak a testhez legközelebb eső ízei beépültek a testfalba az embrionális fejlődés során – talán azért, hogy az állat a szárazföldön jobban elhordja a saját súlyát. Ezek a lábízek korábban lebenyeket viseltek, amelyek így szintén a testfal részeivé váltak.

A láblebenyek aztán egyre feljebb mozogtak az állat hátán, és később ezekből alakultak ki a szárnyak"

– magyarázza Heather Bruce, az MBL kutatója és a cikk vezető szerzője.

Nem a semmiből jöttek létre

Sok oka van annak, miért nem jöhettek erre rá egy évszázaddal ezelőtt; egyebek mellett csak 2010-ben derült ki a genetikai hasonlóságok alapján, hogy az ízeltlábúak hatalmas állattörzsén belül a rovarok legközelebbi rokonai a rákok.

„Ezt megelőzően az alaki hasonlóság miatt a rovarokat mindenki a soklábúak csoportjával rokonította, ahová a százlábúak és ezerlábúak is tartoznak – fejtette ki Bruce. – És ha a soklábúakban kezdünk kutakodni a rovarszárny eredete iránt, ott bizony semmit sem találunk. Így aztán egészen mostanáig tartotta magát az álláspont, hogy a rovarok szárnyai evolúciós és egyedfejlődési szempontból újkeletű képletek, amelyek a rovarokban előzmény nélkül jelentek meg, vagyis az őseik nem rendelkeztek ennek megfeleltethető struktúrával. De ez csak azért tűnt így, mert a kutatók rossz helyen keresték a rovarok őseit."

„Az emberek rögtön felkapják a fejüket, ha arról hallanak, hogy egy olyan szerkezet, mint a rovarszárny, csak úgy a semmiből ugrik elő az evolúció során – tette hozzá Nipam Patel, az MBL igazgatója és a cikk rangidős szerzője. –

De az egyik fontos történet, ami a genomok összehasonlításából kirajzolódik, éppen az, hogy vadonatúj dolgok nem léteznek: minden ered valahonnan. És most már arra is módunk van, hogy kiderítsük, honnan."

Forrás: Biosphoto/Dominique Halleux

Itt is bevetették a genetikai ollót

Bruce akkor fogott szimatot, amikor a parányi bolharák, a Paryhale hawaiensis ízeltlábainak felépítéséért felelős genetikai instrukciókat összevetette a rovarok lábfelépítését kódoló hasonló utasításokkal a Drosophila muslica és a Tribolium lisztbogár genomjában.

A CRISPR-Cas9 génszerkesztési eljárás segítségével módszeresen kiütötte az öt közös lábformáló gént a Paryhale és a rovarok genomjából, és azt találta, hogy ezek a testtől távolabb eső hat lábíz kialakításáért felelősek. A Paryhale viszont rendelkezik egy hetedik, a testhez legközelebb eső lábízzel is. Vajon ennek mi lett a sorsa a rovarokban? – tette fel magának a kérdést. „Elkezdtem hát beleásni magam az irodalomba, és találtam egy egészen régi, 1893-ban felvetett teóriát, miszerint a rovarokban ez a testhez legközelebbi lábíz beépült a testfalba – meséli. – De ezzel még nem értem el a szárny történetéhez. Úgyhogy csak olvastam és olvastam tovább, és rábukkantam egy elméletre az 1980-as évekből, amely azt sugallja, hogy

a testközeli lábíz nemcsak hogy beépült a rovarok testfalába, de a lábról kinyúló apró lebenyek később felcsúsztak egészen a hátra, és ott belőlük alakultak ki a szárnyak.

Gondoltam: ejha, a genomikai és embriológiai adataim szépen alátámasztják ezeket a régi elméleteket!"

Paryhale hawaiensis faj képviselői Forrás: Wikimedia Commons

Ezt a klasszikus rejtélyt persze lehetetlen lett volna azok nélkül a modern molekuláris genetikai eszközök nélkül megfejteni, amelyek ma már lehetővé teszik számtalan genom együttes és összehasonlító vizsgálatát.

A Paryhale bolharák genomját Patel és munkacsoportja tárta fel olyan mélységben, hogy ez lett a genetikai kutatás számára legjobban megközelíthető rákfaj.