Tego jeszcze nie było. Polacy odkryli robaki z dwiema głowami

• Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego zaobserwowali niespotykane dotąd zjawisko u mikroskopijnych płazińców z rodzaju Stenostomum - w miejscu ogona wykształcała się druga, w pełni funkcjonalna głowa.
• Dwugłowe robaki były zdolne do samodzielnego życia - poruszały się (choć niezgrabnie), pobierały pokarm i trawiły go.
• Po przecięciu takich osobników na pół, obie głowy potrafiły się zregenerować, a u części doszło do zamiany przodu z tyłem, czyli odwrócenia osi ciała.
• Chcesz być na bieżąco? Odwiedź stronę główną RMF24.pl. 

Kiedy przecięliśmy je na pół, okazało się, że mogą się zregenerować, a u części z nich doszło do odwrócenia osi ciała, czyli zamiany przodu z tyłem - powiedział PAP autor badania dr Ludwik Gąsiorowski z Instytutu Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu Warszawskiego.

Zjawisko to po raz pierwszy zauważyła doktorantka dr Gąsiorowskiego, Katarzyna Tratkiewicz, w czasie rutynowej obserwacji jednej z hodowli Stenostomum brevipharyngium. Niektóre osobniki wyraźnie odbiegały od normy. W miejscu, gdzie powinien znajdować się ogon, u nich pojawiła się druga głowa. Ku zaskoczeniu naukowców była ona w pełni uformowana, m.in. z gardzielą i innymi prawidłowo funkcjonującymi strukturami.

Dalsze obserwacje wykazały, że nie było to pojedyncze zdarzenie. Przez kilka miesięcy w hodowli utrzymywała się populacja, w której obok zwykłych robaków występowały również dwugłowe. Ta powtarzalność pozwoliła badaczom przeprowadzić szczegółowe analizy morfologiczne i molekularne. Na ich podstawie powstała publikacja, która ukazała się w czasopiśmie "Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences".

Płazińce z rodzaju Stenostomum należą do nielicznych zwierząt, które potrafią nie tylko regenerować utracone części ciała, ale również rozmnażać się bezpłciowo. W naturze takie zdolności są stosunkowo rzadkie. Występują u zaledwie kilku grup organizmów, m.in. niektórych parzydełkowców, wypławków czy pierścienic.

Stenostomum rozmnażają się w procesie zwanym paratomią. W jej trakcie struktury nowego osobnika zaczynają formować się w środkowej części ciała dorosłego robaka. W przeciwieństwie do typowego pączkowania, które kojarzy większość z nas, potomek nie wyrasta więc z boku ciała, ale wszystko odbywa się wzdłuż tej samej osi przodo-tylnej. To tak, jakby w jednym ciele powoli dojrzewało drugie - wyjaśnił dr Gąsiorowski.

Jest to niezwykle uporządkowany mechanizm, w którym wszystko zależy od precyzyjnego działania różnych sygnałów molekularnych. Rozpoczyna się aktywacją komórek macierzystych, które różnicują się zgodnie z gradientami tzw. morfogenów - cząsteczek określających, gdzie ma powstać przód, a gdzie tył organizmu. W tylnym końcu przedniego segmentu formuje się nowy ogon, a w przednim tylnego powstaje nowa głowa. Gdy rozwój dobiegnie końca, oba segmenty rozdzielają się, stając się w pełni samodzielnymi zwierzętami.

W badanej przez naukowców populacji ten mechanizm jednak zawiódł. Zamiast nowego ogona w tylnej części ciała przedniego segmentu komórki zaczęły formować kolejną głowę. Dorosły osobnik stawał się więc dwugłowy, za to pozbawiony ogona, przy czym tylny robak nadal rozwijał się prawidłowo.

W efekcie ciało robaka zaczynało przypominać łańcuch połączonych ze sobą osobników, złożony z segmentów: normalna głowa-tułów-odwrócona głowa-normalna głowa-tułów-ogon. Gdy nowy osobnik osiągał odpowiedni stopień dojrzałości, odłączał się od dorosłego i żył samodzielnie. Robak rodzicielski pozostawał dwugłowy.

Ku zaskoczeniu naukowców osobniki takie były w stanie funkcjonować. Rosły, pobierały pokarm i trawiły go. Jedynie poruszanie się sprawiało im trudności, ponieważ każda głowa reagowała na bodźce niezależnie. Szczegółowe analizy morfologiczne i molekularne wykazały dodatkowo, że dwugłowym płazińcom brakowało tylnego fragmentu jelita i ujścia układu wydalniczego oraz ekspresji niektórych markerów genetycznych charakterystycznych dla tkanek ogonowych.

W kolejnym etapie badań naukowcy pocięli nietypowe osobniki, by sprawdzić ich zdolności regeneracyjne. Okazało się, że obie głowy odtworzyły brakujące ogony. Co ciekawe, u fragmentów z odwróconą głową po regeneracji ustalała się odwrócona oś ciała, co oznacza, że nowy ogon wyrastał po przedniej stronie.

Czyli to, co wcześniej było przodem robaka, stawało się jego tyłem. Takie zjawisko nie ma precedensu wśród zwierząt, bo zazwyczaj orientacja ciała jest ustalana raz, na etapie rozwoju zarodkowego i pozostaje niezmienna przez całe życie - podkreślił dr Gąsiorowski.

Anomalie pojawiały się w hodowli przez kolejne dwa miesiące, po czym samoistnie ustąpiły. Badacze rozważali różne hipotezy dotyczące ich przyczyny: od mutacji genetycznych na poziomie całego organizmu po wpływ czynników środowiskowych. Tę pierwszą hipotezę szybko wykluczyli, ponieważ klonalne potomstwo dwugłowych osobników było całkowicie normalne. Druga natomiast powinna skutkować pojawieniem się objawów u większości osobników w hodowli, a nie tylko u niektórych zwierząt.

Najbardziej prawdopodobny wydaje się więc błąd rozwojowy. W niektórych komórkach macierzystych mogło dojść do błędnej reakcji na gradient morfogenów, wynikającej na przykład z mutacji na poziomie pojedynczych komórek - wyjaśnił dr Gąsiorowski.

Jak dodał, w literaturze opisano jeden podobny przypadek sprzed 90 lat, kiedy inny gatunek Stenostomum wykazywał pewne deformacje wiązane ze starzeniem się osobników, robaki te jednak zamierały po pojawieniu się nieprawidłowości. Również u wypławków można uzyskać dwugłowe okazy, w wyniku manipulacji ekspresji genów. Jednak spontaniczne powstanie i stabilne odwrócenie osi ciała, jak u Stenostomum brevipharyngium z Uniwersytetu Warszawskiego, to zjawisko dotąd nieznane.

Czy tego typu anomalie mogą zdarzać się u płazińców żyjących w warunkach naturalnych, nie wiadomo. Dr Gąsiorowski przypomniał, że są to zwierzęta bardzo małe, trudne do obserwacji i często pomijane w badaniach. Do tego w środowisku naturalnym osobniki z taką deformacją byłyby prawdopodobnie szybko eliminowane, ze względu na trudności z poruszaniem się, zdobywaniem pokarmu i unikaniem drapieżników.

Naukowiec podkreślił, że odkrycie jego zespołu ma duże znaczenie dla zrozumienia granic plastyczności organizmów i mechanizmów regeneracji. Tak głęboka przebudowa planu ciała, bez utraty funkcji życiowych, pokazuje, jak elastyczne potrafią być nawet (a może szczególnie) najprostsze formy życia.

Badacz przypuszcza, że w przypadku Stenostomum za tę wyjątkową właściwość odpowiadają dwa czynniki: nieskomplikowana budowa ciała oraz zdolność do regeneracji, możliwa dzięki obecności w dorosłym organizmie pluripotencjalnych komórek macierzystych.

Obecnie zoolodzy kontynuują swoje badania, aby określić, jakie geny aktywują się w kolejnych etapach paratomii. W przyszłości chcą również sprawdzić, czy manipulując ekspresją wybranych genów, można kontrolować powstawanie głowy lub ogona.

Ich zdaniem zrozumienie, w jaki sposób komórki rozpoznają kierunek przód-tył w tak prostych organizmach jak małe płazińce, może przyczynić się do lepszego poznania podstaw procesów regeneracyjnych u bardziej złożonych zwierząt.