Биологи сравнили развитие мозга мух и жуков, сосредоточив внимание на «центральном комплексе» – структуре мозга, которая необходима насекомым для ориентации в окружающей среде. Используя методы генной инженерии и редактирование генома, они сначала отметили одну и ту же небольшую группу нервных клеток как у плодовой мухи, так и у красного мучного жука. Это позволило им проследить развитие этих клеток от эмбриона до взрослого животного под микроскопом и сравнить развитие между видами животных. Еще до этих исследований было известно, что часть центрального комплекса уже сформирована у личинок жуков, тогда как у мух он развивается только у взрослых животных.
Считалось, что завершенная разработка этой части необходима для того, чтобы личинка жука могла ходить; мухам эта часть не нужна, потому что у них нет ног.
Однако к своему удивлению ученые обнаружили, что эта часть мозга начинает работать у личинки жука, хотя она еще не достигла состояния, аналогичного состоянию взрослого животного. Напротив – строение соответствует эмбриональной стадии развития, известной по другим насекомым. Разница в том, что у личинки жука нервные клетки этого «строящегося» мозга уже формируют связи, которые, вероятно, помогают личинке ориентироваться в окружающей среде. «Я ожидал найти миниатюрную версию центрального комплекса для взрослых, но не то, чтобы их« строительная площадка »начала работать», – говорит Макс Фарнворт, первый автор и аспирант генетики эволюционного развития в Геттингенском университете. его удивление.
Второй большой неожиданностью стало то, что у жука изменилась последовательность этапов развития мозга. Раньше считалось, что этапы развития всегда протекают в одном и том же порядке, хотя момент времени, когда этап происходит, может сдвигаться. В эволюционной биологии это известно как гетерохрония.
Однако у эмбриона жука некоторые этапы развития изменили свое положение, чтобы они происходили раньше в серии, чем у мухи. Это наблюдалось, например, в отношении образования пересечений нервных клеток и образования синапсов, тогда как другие этапы происходили позже, как и в случае с мухой.
«Мы обнаружили первый пример изменения порядка развития в мозге, известного как« гетерохрония последовательности », – объясняет старший автор, профессор Грегор Бухер, руководитель отдела эволюционной генетики развития. "Развитие мозга насекомых, вероятно, гораздо более изменчиво, чем мы могли представить. Это могло объяснить, как они смогли по-разному адаптировать свой мозг к требованиям окружающей среды."