Charles Darwin escreveu um livro chamado "O Poder do Movimento nas Plantas" com seu filho Francis, no qual eles identificaram pela primeira vez o a¡pice da raiz como o centro de comando central das plantas. Em contraste com nossa própria orientação com respeito ao campo gravitacional da Terra, Darwin propa´s que os a¡pices das raa­zes representavam o pa³lo cognitivo anterior da planta ou a¡rvore, enquanto os a¡pices caulinares representavam o pa³lo posterior. Nesta visão, os a¡pices das raa­zes são os aºnicos responsa¡veis ​​por identificar e visar áreas do solo ricas em nutrientes e pobres em toxinas para crescer, enquanto os brotos geram o aparato sexual para a reprodução.

Outra comparação informativa cérebro / planta pode ser feita entre o cortex altamente polarizado e as a¡rvores. Canãlulas piramidais estendem dendritos apicais altamente fraturados para dentro da lâmina cortical enquanto perfuram a substância branca abaixo com um axa´nio profundamente penetrante e propositalmente ramificado. Para entender por que a¡rvores, sistemas nervosos ou neura´nios individuais concentram recursos em certas regiaµes dentro de si mesmos e proliferam elaborações exclusivamente ramificadas em diferentes ambientes externos, precisamos identificar os parceiros químicos e as persuasaµes físicas que cada um busca e responde.

Na última edição especial de Philosophical Transactions of the Royal Society L. Moroz et al. rastreie as origens dos sistemas nervosos mais primitivos para descobrir como algumas das milhares de moléculas comuns sob controle celular foram finalmente transformadas em neurotransmissores. Embora muitas das ideias apresentadas neste artigo, bem como a questãomais ampla sobre as origens dos cérebros, ainda sejam hipotanãticas, a verdade costuma ser mais prontamente aceita quando transmitida de surpresa. Portanto, o surgimento improva¡vel, poranãm inevita¡vel, de sistemas nervosos por meio dos requisitos simples da digestãoextracelular em formas multicelulares em evolução éuma ideia que pode ser prontamente engolida uma vez que as ligações químicas apropriadas sejam descobertas.

Nesse caso, a narrativa convincente éque os neurotransmissores pepta­dicos ou de pequenas protea­nas devem ter evolua­do primeiro. O registro genanãtico indica que enzimas digestivas proteola­ticas secretadas e toxinas pepta­dicas com estruturas tridimensionais prontamente adapta¡veis ​​foram os primeiros alvos moleculares nos quais a seleção natural operou produtivamente. Muitos pepta­deos de sinalização, principalmente origina¡rios do aparelho de Golgi, são, por sua vez, gerados a partir de propepta­deos maiores por meio de etapas sucessivas de protea³lise e modificação química. As clivagens ocorrem frequentemente em locais di- ou monoba¡sicos (como lisina-arginina) por prohormone convertases seguidas por α-amidação C-terminal onde uma enzima bifuncional peptidilglicina α-amidadora monooxigenase (PAM) converte uma glicina C-terminal em uma amida.

 

Em um artigo separado, o autor Ga¡spa¡r Janãkely fornece alguns insights adicionais sobre como os mecanismos de sinalização peptidanãrgica surgiram pela primeira vez. Ele observa que o processamento do PAM éanterior ao sistema nervoso e estãopresente na alga verde Chlamydomonas reinhardtii. Esta¡ localizado nos ca­lios desses organismos, onde énecessa¡rio para sua formação adequada. A triagem por espectrometria de massa revelou que os substratos de PAM em Chlamydomonas incluem pepta­deos quimioatraentes que são liberados em ectossomos ciliares para atrair gametas do tipo de acasalamento negativo. A presença deste aparelho de sinalização de canãlula para canãlula em algas verdes revela a ancestralidade evolutiva surpreendentemente profunda da linha de produção de neuropepta­deos amidados chave.

A hipa³tese do cérebro qua­mico de Janãkely postula que os neurotransmissores vieram antes das sinapses e neurites, ao contra¡rio do contra¡rio. Em outras palavras, os transmissores fazem o sistema nervoso. Ele sugere ainda que a evolução dos sistemas circulata³rios e órgãos neurohaemais liberou as restrições impostas a  sinalização peptidanãrgica por difusão. A chamada circulação hemocelar dentro da cavidade corporal prima¡ria dos invertebrados, aliada a  liberação de pepta­deos, garantiu a rápida condução dos sinais por um corpo cada vez mais grande. Embora intrigante, também éverdade que os sistemas nervosos primitivos, que são anteriores aos sistemas circulata³rios modernos (com células oxigenantes e imunola³gicas), também distribuem nutrientes e metaba³litos e podem ter evolua­do originalmente para esse propa³sito.

O nutriente celular definitivo éa mitoca´ndria inteira. Muitos tipos de células, especialmente as células imunes , tem uma curiosa tendaªncia para secretar DNA mitocondrial, e frequentemente mitoca´ndrias inteiras, dentro de diferentes tipos de inva³lucros de membrana. Eles estendem nanotubos para fins especiais (que lembram aqueles usados ​​em trocas de conjugação bacteriana) e protrusaµes filopodiais alimentadas por tubulina para conduzir e expelir essas organelas. Dependendo do estado atual da canãlula doadora e se o vizinho aceitador éamigo ou inimigo, eles são dotados ou agredidos com mitoca´ndrias de diferentes estados de saúde e oxidativos. Uma hipa³tese mais radical, mas de forma alguma absurda, éque os neura´nios evolua­ram para aumentar o alcance e a especificidade desses tipos de transferaªncias mitocondriais.

Em um artigo posterior, Detlev Arendt observa que, a  medida que os animais multicelulares emergiam em um mundo de microbiota associada ao hospedeiro e provavelmente simbia³tica, os organismos poderiam ter evolua­do fena³tipos neurais como mediadores imunológicos discriminando o eu do não-eu em suas cavidades entanãricas. Ele observa que hámuitas semelhanças entre os neura´nios do tubo nervoso ventral e as células secretoras das ilhotas pancrea¡ticas. Além da maquinaria sina¡ptica semelhante para neuropepta­deo estimulado por potencial de ação e liberação de transmissor, a combinação de fatores de transcrição que especificam esses tipos de células estãose sobrepondo.

Por exemplo, ambos usam os fatores de homeodoma­nio mnx, nk6, pax6 e Ilhota, e o fator de transcrição onecut hnf6 durante sua diferenciação inicial. Essas semelhanças entre o tubo neural ventral dos vertebrados e as células das ilhotas pancrea¡ticas derivadas do intestino anterior podem ser derivados evolutivos de células neurossecretoras sensoriais em uma sola mucociliar digestiva . Atéeste ponto, a mesma assinatura geral do fator de transcrição também écompartilhada por neura´nios selecionados e células intestinais no ouria§o-do-mar, na canãlula neurossecretora derivada do ectoderma fara­ngeo no cnida¡rio Nematostella e na demosponge Spongilla coana³citos digestivos secretores.

A transição gradual de transmissores de pepta­deos em derivados de aminoa¡cidos singulares ou outros pequenos produtos químicos centrados em apenas um punhado de jogadores-chave: glutamato, GABA, glicina, ATP, NO e pra³tons. Todos são relativamente baratos e fa¡ceis de fazer em abunda¢ncia em um curto período de tempo. Moroz et. al. explicar a preservação universal dessas moléculas particulares em operações de transdução de sinal em termos de uma resposta de lesão / regeneração. Comer pode ser uma proposta perigosa, especialmente se vocêfor um organismo unicelular ou uma pequena cola´nia tentando se alimentar de algo compara¡vel ao seu tamanho. A alimentação frequentemente inclui uma proteção imunola³gica inata contra patógenos potenciais completa com NO e implantação local de contra-toxinas. Todos os metaba³litos acima são capazes de induzir respostas de expressão gaªnica bem coordenadas a lesões em organismos primitivos e em plantas e animais superiores. Um exemplo cla¡ssico éo papel do glutamato nas plantas em que uma ferida desencadeia uma resposta de longa distância a  base de ca¡lcio.

Os neurotransmissores modernos, incluindo as vias de neurotransmissores da serotonina, dopamina, noradrenalina, adrenalina, octopamina, tiramina, histamina e acetilcolina, não foram detectados de forma convincente na a¡rvore filogenanãtica inferior. Isso inclui organismos como ctena³foros, placozoa¡rios, esponjas e a maioria dos cnida¡rios. Atéo momento, a linhagem homola³gica mais distante de qualquer neura´nio éprovavelmente a metacanãlula cerebral (MCC). Esses interneura´nios gigantes emparelhados contendo serotonina estãoenvolvidos na excitação alimentar e seus descendentes podem ser reconhecidos em toda a Eutineura (basicamente caraca³is e lesmas). a‰ umnívelde subclasses de moluscos separadas por mais de 380 milhões de anos de evolução em cada direção e, portanto, de imensa importa¢ncia na compreensão dos primeiros sistemas nervosos.

Muito do que sabemos hoje sobre transmissores vem do estudo genanãtico de seus receptores e de suas enzimas de sa­ntese. Este éum nega³cio complicado, porque os dois tipos de protea­na são evolutivamente malea¡veis ​​e aparentemente mudam de sequaªncia e função na queda de um chapanãu. Por exemplo, as hidroxilases de aminoa¡cidos aroma¡ticos de tirosina dependente de biopterina (TH) e triptofano (TPH) são as enzimas limitadoras de velocidade responsa¡veis ​​por fazer transmissores de catecolamina e serotonina, respectivamente. Uma única mutação em TH (e aspartato em valina em D425V) quase abole a atividade enzima¡tica para a produção de L-DOPA, enquanto aumenta a especificidade para fenilalanina sobre tirosina em 80.000 vezes. Da mesma forma, os receptores acoplados a  protea­na G que uma vez foram otimizados para ligar e transduzir sinais baseados em pepta­deos se transformaram em detectores de ligantes transmissores menores.

No polvo, a presença de receptores nicota­nicos em seus sugadores costumava ser uma fonte de confusão, pois eles não eram sensa­veis a  acetilcolina. Reconhece-se agora que esses receptores são potencialmente ativados por muitos tipos de esta­mulos quimiossensoriais e não devem ser encaixados em seu homa´nimo original. Amedida que a história do "que veio primeiro" para transmissores e receptores estãoagora se revelando rapidamente, as origens misteriosas dos sistemas nervosos que confundiam os imaginadores de Darwin pré-genanãticos agora se tornam a³bvias.