Sinir sistemi tek bir kökenden mi geliyor?

Sinir sistemi, hayvanların karmaşıklığının ve davranışlarının temel taşlarından biri olarak yüzyıllardır üzerinde araştırmalar yapılan bir konu. Bu sistemin nasıl, ne zaman ve hangi koşullar altında şekillendiği sorusu, bilim insanlarının uzun süredir merak ettiği ve farklı yaklaşımlarla ele aldığı bir konu olmayı sürdürüyor. Sinir sisteminin evrimini ve kökenini farklı açılardan ele alan birçok çalışma olsa da bu yazıda evrimsel biyolojideki merkezi tartışmalardan biri olan, sinir sistemlerinin tek bir kökenden mi evrildiği yoksa farklı soy hatlarında bağımsız olarak mı ortaya çıktığı sorusunu inceleyeceğiz.

Yazan: Betül Zehra Darcan

Sinir sistemi, hayvanların karmaşıklığının ve davranışlarının temel taşlarından biri olarak yüzyıllardır üzerinde araştırmalar yapılan bir konu. Bu sistemin nasıl, ne zaman ve hangi koşullar altında şekillendiği sorusu, bilim insanlarının uzun süredir merak ettiği ve farklı yaklaşımlarla ele aldığı bir konu olmayı sürdürüyor. Sinir sisteminin evrimini ve kökenini farklı açılardan ele alan birçok çalışma olsa da bu yazıda evrimsel biyolojideki merkezi tartışmalardan biri olan, sinir sistemlerinin tek bir kökenden mi evrildiği yoksa farklı soy hatlarında bağımsız olarak mı ortaya çıktığı sorusunu inceleyeceğiz.

Sinir sisteminin ortaya çıkışı

Sinir sistemi, Ediacaran döneminde, yaklaşık olarak 635-543 milyon yıl önce ortaya çıkmıştır. [1] Sinir sisteminin varlığına dair en eski dolaylı kanıtlar, yaklaşık 558 milyon yıl öncesine tarihlenen ilk bilaterallere ait Prekambriyen iz fosilleridir. [2] Canlıların sahip olduğu hareket etme yetisini gösteren bu iz fosilleri, aktif hareketin gerektirdiği sinir sisteminin dolaylı bir göstergesidir.

Sinir sisteminin kökeni hakkında bilgi edinmek için bilateral olmayan hayvanları incelemek faydalı bir yaklaşım olabilir. Çünkü filogenetik açıdan bilateral olmayan canlılar, bilateral olan canlılardan çok uzun zaman önce ayrılmıştır. Bilateral olmayan canlıları incelemek, her iki grubun ortak atasına dair ipuçları elde etmemize olanak tanır. Ayrıca bilateral canlıların sinir sistemi ile bilateral olmayan canlıların sinir sistemi arasındaki farklılıkları gözlemlemek, bu sistemin ortak yönlerine ve çeşitliliğine dair bir fikir verebilir. Sinir sisteminin gelişimi ve evrimsel süreçleri hakkında daha derin bir anlayış kazanmak için hayvanlar aleminin evrimsel ağacını temsil eden çok çeşitli türlerden örnekler toplanarak araştırma yapılması gerekir. [2]

Bilateral olmayan canlılar

Peki bilateral olmayan canlılar derken kimlerden bahsediyoruz? Bu canlılardan bilateral olmayan canlılar olarak bahsedilmesinin nedeni vücut simetrisi açısından bilateral simetri göstermemeleridir. Bilateral simetri, bir organizmanın vücudunun yalnızca orta düzlemden sağ ve sol olmak üzere iki eşit ve simetrik parçaya bölünebilmesi durumudur. Bilateral olmayan hayvanlar radyal simetriye sahiplerdir veya asimetriklerdir. Radyal simetride, bir organizmanın vücudu merkezi bir eksen etrafında düzenlenerek herhangi bir düzlemden iki eşit parçaya bölünebilir.

Bilateral olmayan canlılar 4 grupta incelenir:
–Porifera (süngerler)
–Ctenophora (taraklılar)
–Cnidaria (denizanası, mercanlar, deniz anemonları ve akrabaları)
–Placozoa (disk şeklinde milimetre boyutlarında silialı deniz hayvanları)

Porifera ve Placozoa (ve bazı parazitler) hariç tüm canlılar sinir sistemine sahiplerdir. Ancak Porifera ve Placazoa’da sinir sistemi olmamasına rağmen, glutamat ve GABA gibi temel transmiterlerin hücreler arası sinyal iletiminde kullanıldığı gözlemleniyor. Bu transmiter moleküllerin, sinir sistemi olan canlılarda da nöronlar arası sinyal iletiminde görev aldığını biliyoruz. Ayrıca Porifera ve Placozoa’da elektriksel potansiyel değişimlere tepki veren, belirli bir voltaj seviyesine ulaşıldığında açılıp kapanan kalsiyum ve potasyum iyon kanalları mevcuttur. Bu kanallar da sinyal iletiminde önemli rol oynar ve sinir sistemi olan canlılarda bu sistemin önemli bir parçasıdır.
Ctenophora ve Cnidaria’da ise sinir sistemi bulunur ama merkezi bir sinir sistemi değildir, beyinleri yoktur. Ancak bu sinir sistemleri, birden fazla türde nöron ve duyusal hücre içerir. Bu hücreler, ağlar ve özel duyusal yapılar oluşturarak birbirleriyle iletişim kurar. [3]. Ctenophora ve Cnidaria’da gözlenen bu sinir sistemine, merkezi bir yapıya sahip olmadıkları için “diffuse nerve net” -yayılmış sinir ağı- denir.

Bilateral Olmayan Canlılar ve Filogeni

Filogeni, bir organizma grubunun evrimsel tarihini ve bu grubun üyeleri arasındaki evrimsel ilişkileri inceleyen bilim dalıdır. Bilateral olmayan canlılar arasındaki evrimsel ilişki incelendiğinde, ele alınan verilere bağlı olarak değişkenlik gösteren bir konu vardır: basal grup Ctenophora mı Porifera mıdır? Bir filogenetik ağaçta basal grup (temel grup – kök grup), ortak atadan ilk ayrılan ve daha az evrimsel değişim geçirmiş olan organizma grubudur.

Yakın zamana kadar diğer canlılara kıyasla “basit” bir organizasyon gösteren Porifera’nın basal grup olduğu düşünülürken, son zamanlarda gelişen filogenetik araştırma araçlarının kullanıldığı çalışmalarda Ctenophora’nın ortak atadan ilk ayrılan grup olabileceği öne sürülüyor. Ancak araştırmada kullanılan verilere ve yöntemlere göre değişiklik gösterebilen bu konu, bilim insanları tarafından tartışılmayı sürdürüyor.
Bu konudaki farklı çalışmaları incelemek için aşağıdaki makalelere göz atabilirsiniz:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22074-7
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05936-6

Single Origin vs Multiple Origin

Bilateral olmayan canlıların filogenisine dair tartışmalar sürse de, sinir sisteminin kökenine ve hangi noktada ortaya çıktığına dair sorgulamayı her iki senaryo için de yapabiliriz. Basal grup ister Ctenophora olsun, ister Porifera; sinir sisteminin tek bir kökenden mi geldiği yoksa farklı soy hatlarında bağımsız olarak mı oluştuğu sorusu her iki durumda da sorulabilir.
Peki bunu neden soruyoruz? Sinir sisteminin kökeni ile ilgili yapılan erken çalışmalarda temel alınan yaklaşım monophyly (monofili) – yani nöronların tek bir atasal hücre soyundan türediği ve nörona sahip tüm hayvanların ortak atasında ortaya çıktığı düşüncesiydi. Monofili fikri, tüm organizmaların evrimsel olarak tek bir ortak atadan türediği fikrini savunur. Bu kavram, Darwin’in “son ortak ata” düşüncesine dayanır ve biyolojiyle ilgili birçok temel konuyu şekillendirir. Ancak, hücreler, hücre grupları veya dokular düzeyinde, özellikle nöronlar ve kaslar gibi yapılar için, ortak bir atayı veya tek bir atasal hücresel soyu bulmak sorunlu olabilir. [4]

Monofilinin aksine Poligenesis hipotezi, nöronlar ve karmaşık beyinlerin, farklı gruplara ait türlerde bağımsız olarak evrimleştiğini veya birden fazla kez ortaya çıktığını öne sürer. Polifili (çoklu köken) yaklaşımına göre, farklı türlerdeki benzer nöronal fenotipler veya benzer sinir sistemleri yakınsak evrimin bir ürünüdür. Yakınsak evrim, birbiriyle yakın akraba olmayan türlerin, benzer çevresel koşullara yanıt olarak birbirinden bağımsız şekilde benzer özellikler geliştirmesidir. Örneğin yunusların memeli olmalarına rağmen milyonlarca yıldır denizel ortamda yaşadıkları için balıklarla benzer vücut özelliklerine sahip olması, yakınsak evrime örnek verilebilir.

Genel olarak, polifili fikri, sinir hücrelerinin evrimiyle ilgili daha az kabul gören bir görüş olmuştur. Ancak son zamanlarda ortaya çıkan karşılaştırmalı ve genetik veriler, tek kökenli hipoteze karşı kavramsal bir zorluk yaratmaktadır.
Bu verilerden en dikkat çekeni, Ctenophor’larla yapılan dizileme çalışmalarının, sinir hücreleri arasındaki iletişim için çok farklı nörojenik ve salgılama moleküllerinin kullanıldığını ortaya koymasıdır. Cnidaria ve Bilateria ile kıyaslandığında Ctenophora’nın sinir sisteminde ‘klasik’ nörotransmitter yolaklarına ait genlerin ya hiç olmadığı ya da varsa bile nöronlarda ifade edilmediği görülür. Ayrıca Ctenophor’lar ‘nöron-spesifik’ genlerin birçoğundan yoksundur. Buna rağmen işlevsel bir sinir sistemine ve sinir sisteminde kendine özgü yapılara sahip olması bakımından Ctenophor’ların sinir sisteminin diğer türlerden bağımsız olarak, ayrı bir biçimde ortaya çıktığı bazı bilim insanları tarafından öne sürülmüştür. [4]
Şimdi gelin bu bilgilerden yola çıkarak oluşturulabilecek 4 farklı senaryoyu inceleyelim:

Sinir sisteminin homolog olduğu – yani tek bir kökene sahip olduğu – senaryoda eğer Ctenophora’yı basal grup olarak ele alırsak, ortak atada ortaya çıkmış olan sinir sisteminin Placozoa ve Porifera’da yitirilmiş olması gerekir. Bu demek oluyor ki sinir sistemi, bilateral olan ve olmayan canlıların ortak atasında mevcuttu; ancak daha sonrasında bu sinir sistemi Porifera ve Placozoa gruplarında yitirilirken Ctenophora, Cnidaria ve Bilateria’da varlığını sürdürmeye devam etti.
Homolog senaryodaki bir diğer seçenek de Porifera’nın basal grup olması. Bu durumda sinir sistemi bilateral olan ve olmayan canlıların ortak atası yerine; Ctenophora, Cnidaria ve bilateral canlıların ortak atasında ortaya çıkmış olabilir. Böylelikle edinilmiş bir özelliğin Porifera’da ve Placozoa’da sonradan yitirilmesi gibi bir durum söz konusu olmayabilir.
Sinir sisteminin homolog olmadığı – yani birden fazla, birbirinden bağımsız kökene sahip olduğu – senaryoda ise Ctenophora’nın veya Porifera’nın basal grup olarak ele alındığı seçeneklerin ikisinde de Ctenophora’da sinir sisteminin bağımsız olarak geliştiğini söyleyebiliriz. Bunun yanı sıra Cnidaria ve bilateral canlıların ortak atasında da Ctenophora’dakinden bağımsız olarak bir sinir sisteminin ortaya çıktığı öne sürülebilir.

Başlangıçta tüm sinir sistemlerinin tek bir kökenden geldiği, yani homolog olduğu fikri daha olası görünse ve sinir sistemi gibi bir yapının birden fazla kez evrimleşmiş olabileceğini düşünmek zor olsa da, yakınsak evrimin yaygın bir fenomen olduğunu unutmamalıyız. Dahası yakınsak evrimin, sinir sisteminde hem tüm sistem düzeyinde (örneğin farklı bilateral hayvan gruplarında karmaşık beyinler ve uzunlama sinir kordonları muhtemelen bağımsız olarak evrimleşmiştir) hem de moleküler düzeyde meydana geldiğini biliyoruz. [3]
Yukarıda açıkladığımız senaryolardan başka bir diğer olası seçenek, bu senaryoların birleşiminden oluşan bir “hibrit” senaryo olabilir. Bu hibrit senaryoya göre sinir sisteminin belirli bir kısmı yakınsak evrim sonucu oluşmuşken bir kısmının homolog özellikler barındırdığı düşünülebilir. Örneğin Ctenophora’nın ağız çevresinde bulunan peptiderjik duyusal hücrelerin bilateral hayvanların nöronlarıyla homolog olabileceği öne sürülmüşken yine Ctenophora’da gözlenen sinsityal sinir ağı yakınsak evrimin bir sonucu olabilir. [3]

Bu senaryolar, sinir sisteminin kökenine dair farklı hipotezlerin geçerliliğini sınamak ve evrimsel süreçlerin karmaşıklığını anlamak adına kapsamlı çalışmaların gerekliliğini ortaya koyuyor. Monofili ve polifili yaklaşımları arasındaki bu tartışma, sinir sistemlerinin evrimsel süreçteki karmaşıklığını anlamamızı sağlarken, aynı zamanda birçok yeni araştırma alanının da kapılarını aralıyor. Ctenophora gibi farklı organizmalardaki benzersiz sinir sistemlerinin varlığı, yakınsak evrim süreçlerini ve bu süreçlerin doğasını daha detaylı incelememiz gerektiğini gösteriyor. Bu bağlamda, sinir sisteminin evrimini anlamak, sadece biyolojideki temel soruları yanıtlamakla kalmayıp, aynı zamanda canlıların karmaşıklığını daha derinlemesine kavramamıza olanak tanıyacaktır.

Kaynakça

[1] Paulin, M.G. and Cahill-Lane, J. (2021), Events in Early Nervous System Evolution. Top Cogn Sci, 13: 25-44.

[2] Pawel Burkhardt and Gáspár Jékely, (2021), Evolution of synapses and neurotransmitter systems: The divide-and-conquer model for early neural cell-type evolution, Current Opinion in Neurobiology, Volume 71: 127-138.

[3] (Sachkova, M. Y. (2024). Evolutionary origin of the nervous system from Ctenophora prospective. Evolution & Development, 26, e12472.

[4]Moroz, Leonid L. “The genealogy of genealogy of neurons.” Communicative & integrative biology vol. 7,6 e993269. 3 Jan. 2015.

[5] Jékely, G., Paps, J. & Nielsen, C. The phylogenetic position of ctenophores and the origin(s) of nervous systems. EvoDevo 6, 1 (2015).