Molluskenaugen enthüllen, wie die zukünftige Entwicklung von der Vergangenheit abhängt | Quanta-Magazin

Biologen haben sich oft gefragt, was passieren würde, wenn sie das Band der Lebensgeschichte zurückspulen und die Evolution noch einmal von vorne ablaufen lassen könnten. Würden sich die Abstammungslinien von Organismen auf völlig unterschiedliche Weise entwickeln, wenn diese Gelegenheit gegeben würde? Oder neigen sie dazu, die gleichen Arten von Augen, Flügeln und anderen adaptiven Merkmalen zu entwickeln, weil ihre frühere Evolutionsgeschichte sie bereits auf bestimmte Entwicklungspfade geschickt hatte?

A Neues Papier heute veröffentlicht in Wissenschaft beschreibt einen seltenen und wichtigen Testfall für diese Frage, die für das Verständnis der Interaktion von Evolution und Entwicklung von grundlegender Bedeutung ist. Ein Forscherteam der University of California in Santa Barbara stieß darauf, als es die Entwicklung des Sehvermögens bei einer unbekannten Gruppe von Mollusken namens Chitons untersuchte. Bei dieser Tiergruppe entdeckten die Forscher, dass sich zwei Arten von Augen – Augenflecken- und Schalenaugen – jeweils zweimal unabhängig voneinander entwickelten. Eine bestimmte Abstammungslinie könnte den einen oder anderen Augentyp entwickeln, aber niemals beide.

Interessanterweise wurde die Art des Auges einer Abstammungslinie durch ein scheinbar unabhängiges älteres Merkmal bestimmt: die Anzahl der Schlitze in der Panzerpanzerung des Chitons. Dies stellt ein reales Beispiel einer „pfadabhängigen Evolution“ dar, bei der die Geschichte einer Abstammungslinie unwiderruflich ihren zukünftigen Entwicklungsverlauf prägt. Kritische Knotenpunkte in einer Abstammungslinie wirken wie Einbahntüren, die einige Möglichkeiten eröffnen und andere Optionen endgültig verschließen.

„Dies ist einer der ersten Fälle, in denen wir tatsächlich eine pfadabhängige Entwicklung beobachten konnten“, sagte er Rebecca Varney, Postdoktorand in Todd Oakleys Labor an der UCSB und Hauptautor des neuen Papiers. Obwohl bei einigen im Labor gezüchteten Bakterien eine pfadabhängige Evolution beobachtet wurde, „war es eine wirklich aufregende Sache, dies in einem natürlichen System zu zeigen.“

„Es gibt immer einen Einfluss der Geschichte auf die Zukunft einer bestimmten Eigenschaft“, sagte er Lauren Sumner-Rooney, der am Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung visuelle Systeme von Wirbellosen erforscht und an der neuen Studie nicht beteiligt war. „Was an diesem Beispiel besonders interessant und aufregend ist, ist, dass die Autoren offenbar genau den Zeitpunkt bestimmt haben, an dem es zu dieser Spaltung kommt.“

Aus diesem Grund werden die Chitons „wahrscheinlich in zukünftigen Lehrbüchern zur Evolution als Beispiel für pfadabhängige Evolution auftauchen“, sagte er Dan-Eric Nilsson, ein visueller Ökologe an der Universität Lund in Schweden, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Chitons, kleine Mollusken, die auf Gezeitenfelsen und in der Tiefsee leben, sind wie kleine Panzer, die durch acht Schalenplatten geschützt sind – ein Körperbau, der seit etwa 300 Millionen Jahren relativ stabil geblieben ist. Diese Panzerplatten sind keineswegs eine träge Panzerung, sondern sind stark mit Sinnesorganen verziert, die es den Chitons ermöglichen, mögliche Bedrohungen zu erkennen.

Die Sinnesorgane kommen in drei Arten vor. Alle Chitons verfügen über Ästheten, einen äußerst synästhetischen All-in-One-Rezeptor, der es ihnen ermöglicht, Licht sowie chemische und mechanische Signale in der Umgebung wahrzunehmen. Einige Chitons verfügen auch über geeignete visuelle Systeme: entweder Tausende von lichtempfindlichen Augenflecken oder Hunderte komplexerer Muschelaugen, die über eine Linse und eine Netzhaut verfügen, um grobe Bilder aufzunehmen. Tiere mit Muschelaugen können drohende Raubtiere erkennen und klammern sich daraufhin fest an den Felsen.

Um zu verstehen, wie sich diese Art von Chiton-Augen entwickelte, untersuchte ein Forscherteam unter der Leitung von Varney, wie Hunderte von Chiton-Arten miteinander verwandt sind. Sie verwendeten eine Technik namens „Exome Capture“, um strategische DNA-Abschnitte aus alten Proben in der Sammlung zu sequenzieren Doug Eernisse, ein Chiton-Spezialist an der California State University, Fullerton. Insgesamt sequenzierten sie die DNA von mehr als 100 Arten, die sorgfältig ausgewählt wurden, um die gesamte Breite der Chiton-Vielfalt darzustellen, und stellten so die bisher umfassendste Phylogenie (oder den Baum der evolutionären Beziehungen) für Chitons zusammen.

Anschließend ordneten die Forscher die verschiedenen Augentypen der Phylogenie zu. Der erste Schritt vor der Entwicklung von Muschelaugen oder Augenflecken war, wie die Forscher beobachteten, eine Zunahme der Dichte von Ästheten auf dem Panzer. Nur dann könnten komplexere Augen erscheinen. Augenflecken und Schalenaugen entwickelten sich im Laufe der Phylogenie jeweils zu zwei unterschiedlichen Zeiten – was zwei getrennte Fälle einer konvergenten Evolution darstellt.

„Unabhängig davon haben Chitons vier Mal Augen entwickelt – und durch sie das, was wir für wahrscheinlich so etwas wie räumliches Sehen halten –, was wirklich beeindruckend ist“, sagte Varney. „Sie haben sich auch so unglaublich schnell weiterentwickelt.“ Die Forscher schätzten dies auf die neotropische Gattung ChitonBeispielsweise entwickelten sich die Augenflecken innerhalb von nur 7 Millionen Jahren – einem Wimpernschlag in der Evolutionszeit.

Die Ergebnisse überraschten die Forscher. „Ich dachte, es sei eine schrittweise Entwicklung der Komplexität, von den Ästheten über ein Augenfleckensystem bis hin zu den Muschelaugen – eine sehr zufriedenstellende Entwicklung“, sagte er Dan Speiser, ein visueller Ökologe an der University of South Carolina und Mitautor der Arbeit. „Stattdessen gibt es mehrere Wege zur Vision.“

Aber warum haben einige Abstammungslinien Muschelaugen anstelle von Augenflecken entwickelt? Während einer sechsstündigen Fahrt von einer Konferenz in Phoenix zurück nach Santa Barbara begannen Varney und Oakley, die Hypothese zu entwickeln, dass die Anzahl der Schlitze in der Schale eines Chitons der Schlüssel zur Entwicklung des Chiton-Sehvermögens sein könnte.

Alle lichtempfindlichen Strukturen auf der Chiton-Schale, erklärte Varney, sind an Nerven befestigt, die durch die Schalenschlitze verlaufen, um eine Verbindung zu den Hauptnerven des Körpers herzustellen. Die Schlitze fungieren als Kabelorganisatoren und bündeln sensorische Neuronen. Mehr Schlitze bedeuten mehr Öffnungen, durch die Nerven verlaufen können.

Es kommt vor, dass die Anzahl der Schlitze eine Standardinformation ist, die jedes Mal aufgezeichnet wird, wenn jemand eine neue Chiton-Art beschreibt. „Die Informationen waren da draußen, aber ohne den Kontext einer Phylogenie, auf die man sie zurückführen konnte, hatten sie keine Bedeutung“, sagte Varney. „Also schaute ich mir das an und entdeckte dieses Muster.“

Varney stellte fest, dass Abstammungslinien mit 14 oder mehr Schlitzen in der Kopfplatte zweimal unabhängig voneinander Augenflecken entwickelten. Und zweimal, unabhängig voneinander, entwickelten Abstammungslinien mit 10 oder weniger Schlitzen Muschelaugen. Sie erkannte, dass sich durch die Anzahl der Schlitze ein bestimmter Augentyp entwickeln konnte: Ein Chiton mit Tausenden von Augenflecken benötigt mehr Schlitze, während ein Chiton mit Hunderten von Muschelaugen weniger benötigt. Kurz gesagt, die Anzahl der Muschelschlitze bestimmte die Entwicklung des visuellen Systems der Kreaturen.

Die Ergebnisse führen zu einer Reihe neuer Fragen. Die Forscher untersuchen unter anderem aktiv, warum die Anzahl der Schlitze die Art des Auges einschränkt, das sich entwickeln kann. Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Schaltkreise der Sehnerven und die Art und Weise, wie sie Signale von Hunderten oder Tausenden von Augen verarbeiten, aufklären.

Alternativ könnte die Beziehung zwischen Augentyp und Anzahl der Schlitze nicht durch die Bedürfnisse des Sehvermögens bestimmt werden, sondern durch die Art und Weise, wie sich die Platten in verschiedenen Abstammungslinien entwickeln und wachsen, schlug Sumner-Rooney vor. Die Schalenplatten wachsen durch Anwachsen von der Mitte nach außen, und während des gesamten Lebens des Chitons werden Augen hinzugefügt, wenn der Rand wächst. „Die ältesten Augen befinden sich in der Mitte des Tieres, die jüngsten sind an den Rändern angebracht“, sagte Sumner-Rooney. Als Chiton „beginnen Sie Ihr Leben möglicherweise mit 10 Augen und beenden Ihr Leben mit 200 Augen.“

Infolgedessen muss der wachsende Rand einer Muschelplatte Löcher für neue Augen hinterlassen – viele kleine Löcher für die Augenflecken oder weniger größere Löcher für die Muschelaugen. Zu viele oder zu große Löcher könnten eine Schale bis zur Bruchgrenze schwächen, sodass strukturelle Faktoren die möglichen Augen einschränken könnten.

Es bleibt noch viel zu entdecken darüber, wie Chitons die Welt sehen, aber in der Zwischenzeit sind ihre Augen darauf vorbereitet, das neue Lieblingsbeispiel der Biologen für pfadabhängige Evolution zu werden, sagte Nilsson. „Beispiele für Pfadabhängigkeit, die wie in diesem Fall wirklich gut nachgewiesen werden können, sind selten – auch wenn das Phänomen nicht nur häufig vorkommt, sondern die normale Art und Weise ist, wie Dinge passieren.“