Bløddyrs øjne afslører, hvordan fremtidig udvikling afhænger af fortiden | Quanta Magasinet

Biologer har ofte undret sig over, hvad der ville ske, hvis de kunne spole båndet af livets historie tilbage og lade evolutionen udspille sig igen. Ville slægter af organismer udvikle sig på radikalt forskellige måder, hvis de fik den mulighed? Eller ville de have tendens til at udvikle de samme slags øjne, vinger og andre adaptive træk, fordi deres tidligere evolutionære historier allerede havde sendt dem ned ad bestemte udviklingsveje?

A nyt blad udgivet i dag in Videnskab beskriver en sjælden og vigtig testcase for det spørgsmål, som er grundlæggende for at forstå, hvordan evolution og udvikling interagerer. Et team af forskere ved University of California, Santa Barbara, stødte på det, mens de studerede udviklingen af ​​syn i en obskur gruppe bløddyr kaldet chitoner. I denne gruppe af dyr opdagede forskerne, at to typer øjne - øjenpletter og skaløjne - hver udviklede sig to gange uafhængigt af hinanden. En given slægt kan udvikle den ene type øje eller den anden, men aldrig begge.

Spændende nok blev den type øje, en slægt havde, bestemt af et tilsyneladende ikke-relateret ældre træk: antallet af spalter i chitonens skalpanser. Dette repræsenterer et virkeligt eksempel på "stiafhængig evolution", hvor en slægts historie uigenkaldeligt former dens fremtidige evolutionære bane. Kritiske tidspunkter i en slægt fungerer som envejsdøre, der åbner nogle muligheder, mens de lukker andre muligheder for godt.

"Dette er et af de første tilfælde [hvor] vi faktisk har været i stand til at se stiafhængig evolution," sagde Rebecca Varney, en postdoc i Todd Oakleys laboratorium på UCSB og hovedforfatteren af ​​det nye papir. Selvom stiafhængig evolution er blevet observeret i nogle bakterier dyrket i laboratorier, "var det en virkelig spændende ting at være i stand til at gøre i et naturligt system."

"Der er altid en indvirkning af historien på fremtiden for en bestemt egenskab," sagde Lauren Sumner-Rooney, der studerer hvirvelløse visuelle systemer ved Leibniz Institute for Evolution and Biodiversity Science og ikke var involveret i den nye undersøgelse. "Det, der er særligt interessant og spændende ved dette eksempel, er, at forfatterne ser ud til at have udpeget det tidspunkt, hvor du får den splittelse."

Af den grund vil chitonerne "sandsynligvis komme ind i fremtidige lærebøger om evolution" som et eksempel på stiafhængig evolution, sagde Dan-Eric Nilsson, en visuel økolog ved Lunds Universitet i Sverige, som ikke var involveret i forskningen.

Chitoner, små bløddyr, der lever på tidevandsbjergarter og i det dybe hav, er som små tanke beskyttet af otte skalplader - en kropsplan, der har været relativt stabil i omkring 300 millioner år. Langt fra at være inert rustning, er disse skalplader stærkt dekoreret med sanseorganer, der gør det muligt for chitonerne at opdage mulige trusler.

Sanseorganerne findes i tre typer. Alle chitoner har æsteter, en vildt synestetisk alt-i-en-receptor, der gør dem i stand til at fornemme lys såvel som kemiske og mekaniske signaler i miljøet. Nogle chitoner har også ordentlige visuelle systemer: enten tusindvis af lysfølende øjenpletter eller hundredvis af mere komplekse skaløjne, som har en linse og nethinde til at fange ru billeder. Dyr med skaløjne kan opdage truende rovdyr, som svar på hvilke de klemmer sig fast på klippen.

For at forstå, hvordan denne variation af chitonøjne udviklede sig, så et team af forskere ledet af Varney på, hvordan hundredvis af chitonarter er beslægtede. De brugte en teknik kaldet exome capture til at sekventere strategiske sektioner af DNA fra gamle prøver i indsamlingen af Doug Eernisse, en chiton-specialist ved California State University, Fullerton. Alt i alt sekventerede de DNA fra mere end 100 arter omhyggeligt udvalgt til at repræsentere hele bredden af ​​chiton-diversitet, og samlede den mest omfattende fylogeni (eller træ af evolutionære forhold) for chitoner til dato.

Derefter kortlagde forskerne de forskellige øjentyper på fylogenien. Det første trin før udviklingen af ​​enten skaløjne eller øjenpletter, observerede forskerne, var en stigning i tætheden af ​​æsteter på skallen. Først da kunne mere komplekse øjne dukke op. Øjenpletter og skaløjne udviklede sig hver to separate gange på tværs af fylogenien - repræsenterende to separate tilfælde af konvergent evolution.

"Uafhængigt udviklede chitoner øjne - og gennem dem, hvad vi tror, ​​er sandsynligvis noget som rumligt syn - fire gange, hvilket er virkelig imponerende," sagde Varney. "De udviklede sig også så utroligt hurtigt." Forskerne vurderede, at i den neotropiske slægt Chiton, for eksempel udviklede øjenpletterne sig inden for blot 7 millioner år - et blink med øjet i evolutionær tid.

Resultaterne overraskede forskerne. "Jeg tænkte, at det var en trinvis evolution i kompleksitet, der gik fra æstetik til et øjespotsystem til skaløjne - en meget tilfredsstillende progression," sagde Dan Speiser, en visuel økolog ved University of South Carolina og en papirmedforfatter. "I stedet er der flere veje mod vision."

Men hvorfor udviklede nogle slægter skaløjne frem for øjenpletter? Under en seks timers kørsel fra en konference i Phoenix tilbage til Santa Barbara begyndte Varney og Oakley at udvikle hypotesen om, at antallet af spalter i en chitons skal kunne være nøglen til udviklingen af ​​chitonsyn.

Alle lysfølende strukturer på chiton-skallen, forklarede Varney, er knyttet til nerver, som passerer gennem skalspalterne for at forbinde til kroppens hovednerver. Slidserne fungerer som kabelorganisatorer, der bundter sensoriske neuroner sammen. Flere spalter betyder flere åbninger, som nerver kan løbe igennem.

Det sker sådan, at antallet af spalter er standardinformation, der registreres hver gang nogen beskriver en ny chiton-art. "Informationen var derude, men uden konteksten af ​​en fylogeni at kortlægge den tilbage til, havde den ingen betydning," sagde Varney. "Så jeg gik og kiggede på det her og begyndte at se dette mønster."

Varney så, at to gange, uafhængigt, udviklede slægter med 14 eller flere spalter i hovedpladen øjenpletter. Og to gange, uafhængigt, udviklede slægter med 10 eller færre spalter skaløjne. Hun indså, at antallet af spalter låste på plads, hvilken slags øjentype kunne udvikle sig: En chiton med tusindvis af øjenpletter har brug for flere spalter, hvorimod en chiton med hundredvis af skaløjne har brug for færre. Kort sagt bestemte antallet af skalspalter udviklingen af ​​væsnernes visuelle systemer.

Resultaterne fører til et nyt sæt spørgsmål. En, som forskerne aktivt undersøger, er, hvorfor antallet af spalter begrænser den type øje, der kan udvikle sig. Svar, der vil kræve arbejde for at belyse synsnervernes kredsløb, og hvordan de behandler signaler fra hundreder eller tusinder af øjne.

Alternativt kan forholdet mellem øjentype og antallet af spalter ikke være drevet af synets behov, men af ​​den måde, pladerne udvikler sig og vokser i forskellige slægter, foreslog Sumner-Rooney. Skalplader vokser fra midten og udad ved tilvækst, og øjne tilføjes gennem hele chitonens liv, efterhånden som kanten vokser. "De ældste øjne er dem i midten af ​​dyret, og de seneste er tilføjet i kanterne," sagde Sumner-Rooney. Som en chiton, "kan du starte livet med 10 øjne og afslutte dit liv med 200 øjne."

Som en konsekvens heraf skal den voksende kant af en skalplade efterlade huller til nye øjne - mange små huller til øjenpletterne eller færre større huller til skaløjnene. For mange eller for store huller kan svække en skal til dens bristepunkt, så strukturelle faktorer kan begrænse, hvilke øjne der er mulige.

Meget mangler at blive opdaget om, hvordan chitoner ser verden, men i mellemtiden er deres øjne klar til at blive biologers nye foretrukne eksempel på stiafhængig evolution, sagde Nilsson. "Eksempler på stiafhængighed, der virkelig godt kan demonstreres, som denne sag [er], er sjældne - selvom fænomenet ikke kun er almindeligt, det er den standard måde, tingene sker på."