Τα μάτια των μαλακίων αποκαλύπτουν πώς η μελλοντική εξέλιξη εξαρτάται από το παρελθόν | Περιοδικό Quanta

Οι βιολόγοι έχουν συχνά αναρωτηθεί τι θα συνέβαινε αν μπορούσαν να επανατυλίξουν την ταινία της ιστορίας της ζωής και να αφήσουν την εξέλιξη να συνεχιστεί ξανά από την αρχή. Θα εξελισσόταν η γενεαλογία των οργανισμών με ριζικά διαφορετικούς τρόπους εάν δινόταν αυτή η ευκαιρία; Ή θα είχαν την τάση να εξελίσσουν τα ίδια είδη ματιών, φτερών και άλλων προσαρμοστικών χαρακτηριστικών επειδή οι προηγούμενες εξελικτικές ιστορίες τους είχαν ήδη στείλει σε ορισμένες αναπτυξιακές οδούς;

A νέα εφημερίδα που δημοσιεύτηκε σήμερα in Επιστήμη περιγράφει μια σπάνια και σημαντική περίπτωση δοκιμής για αυτήν την ερώτηση, η οποία είναι θεμελιώδης για την κατανόηση του τρόπου αλληλεπίδρασης της εξέλιξης και της ανάπτυξης. Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα συνέβη κατά τη μελέτη της εξέλιξης της όρασης σε μια ασαφή ομάδα μαλακίων που ονομάζονται χιτώνες. Σε αυτή την ομάδα ζώων, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι δύο τύποι ματιών - οφθαλμικές κηλίδες και μάτια - ο καθένας εξελίχτηκε δύο φορές ανεξάρτητα. Μια δεδομένη γενεαλογία θα μπορούσε να εξελίξει τον ένα ή τον άλλο τύπο ματιού, αλλά ποτέ και τα δύο.

Παραδόξως, ο τύπος του ματιού που είχε μια καταγωγή καθορίστηκε από ένα φαινομενικά άσχετο παλαιότερο χαρακτηριστικό: τον αριθμό των σχισμών στην πανοπλία του κελύφους του χιτώνα. Αυτό αντιπροσωπεύει ένα πραγματικό παράδειγμα «εξέλιξης που εξαρτάται από το μονοπάτι», στο οποίο η ιστορία μιας γενεαλογίας διαμορφώνει αμετάκλητα την μελλοντική εξελικτική της τροχιά. Οι κρίσιμες συγκυρίες σε μια γενεαλογία λειτουργούν σαν μονόδρομες πόρτες, ανοίγοντας κάποιες δυνατότητες ενώ κλείνουν οριστικά άλλες επιλογές.

«Αυτή είναι μια από τις πρώτες περιπτώσεις [όπου] μπορέσαμε να δούμε την εξέλιξη που εξαρτάται από το μονοπάτι», είπε Ρεμπέκα Βάρνεϊ, μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Το εργαστήριο του Todd Oakley στο UCSB και τον κύριο συγγραφέα της νέας εργασίας. Αν και έχει παρατηρηθεί εξέλιξη εξαρτώμενη από το μονοπάτι σε ορισμένα βακτήρια που αναπτύσσονται σε εργαστήρια, «το να δείξουμε ότι σε ένα φυσικό σύστημα ήταν ένα πραγματικά συναρπαστικό πράγμα που μπορούσε να γίνει».

«Υπάρχει πάντα μια επίδραση της ιστορίας στο μέλλον ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού», είπε Λόρεν Σάμνερ-Ρούνεϊ, ο οποίος μελετά οπτικά συστήματα ασπόνδυλων στο Ινστιτούτο Leibniz για την Επιστήμη της Εξέλιξης και της Βιοποικιλότητας και δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. «Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον και συναρπαστικό σε αυτό το παράδειγμα είναι ότι οι συγγραφείς φαίνεται να έχουν εντοπίσει τη χρονική στιγμή που λαμβάνετε αυτόν τον χωρισμό».

Για αυτόν τον λόγο, οι χιτώνες «είναι πιθανό να εισέλθουν σε μελλοντικά εγχειρίδια για την εξέλιξη» ως παράδειγμα εξέλιξης που εξαρτάται από το μονοπάτι, είπε Νταν-Έρικ Νίλσον, οπτικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο Lund της Σουηδίας που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Οι χιτώνες, μικρά μαλάκια που ζουν σε μεσοπαλιρροϊκούς βράχους και στη βαθιά θάλασσα, είναι σαν μικρές δεξαμενές που προστατεύονται από οκτώ πλάκες κελύφους - ένα σχέδιο σώματος που παρέμεινε σχετικά σταθερό για περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια. Όχι μόνο αδρανής θωράκιση, αυτές οι πλάκες κελύφους είναι έντονα διακοσμημένες με αισθητήρια όργανα που επιτρέπουν στους χιτώνες να ανιχνεύουν πιθανές απειλές.

Τα αισθητήρια όργανα διακρίνονται σε τρεις τύπους. Όλοι οι χιτώνες έχουν αισθητικούς, έναν εξαιρετικά συναισθητικό υποδοχέα all-in-one που τους επιτρέπει να αισθάνονται το φως καθώς και χημικές και μηχανικές ενδείξεις στο περιβάλλον. Ορισμένοι χιτώνες έχουν επίσης σωστά οπτικά συστήματα: είτε χιλιάδες οφθαλμικά σημεία που ανιχνεύουν το φως είτε εκατοντάδες πιο περίπλοκα μάτια με κέλυφος, τα οποία διαθέτουν φακό και αμφιβληστροειδή για τη λήψη τραχιών εικόνων. Τα ζώα με μάτια από κέλυφος μπορούν να ανιχνεύσουν διαφαινόμενους θηρευτές, σε απάντηση στα οποία σφίγγονται σφιχτά πάνω στο βράχο.

Για να κατανοήσουμε πώς εξελίχθηκε αυτή η ποικιλία ματιών χιτώνα, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Varney εξέτασε πώς σχετίζονται εκατοντάδες είδη χιτώνα. Χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται σύλληψη exome για να αλληλουχήσουν στρατηγικές τομές DNA από παλιά δείγματα στη συλλογή Doug Eernisse, ειδικός στον χιτώνα στο California State University, Fullerton. Συνολικά, ανέλυσαν την αλληλουχία του DNA από περισσότερα από 100 είδη που επιλέχθηκαν προσεκτικά για να αντιπροσωπεύουν το πλήρες εύρος της ποικιλότητας του χιτώνα, συναρμολογώντας την πιο ολοκληρωμένη φυλογένεση (ή δέντρο εξελικτικών σχέσεων) για τους χιτώνες μέχρι σήμερα.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χαρτογράφησαν τους διαφορετικούς τύπους ματιών στη φυλογένεση. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι το πρώτο βήμα πριν από την ανάπτυξη είτε των ματιών είτε των οφθαλμικών κηλίδων, ήταν η αύξηση της πυκνότητας των αισθητικών στο κέλυφος. Μόνο τότε θα μπορούσαν να εμφανιστούν πιο περίπλοκα μάτια. Οι οφθαλμικές κηλίδες και τα μάτια του κελύφους εξελίχθηκαν το καθένα δύο διαφορετικούς χρόνους κατά τη διάρκεια της φυλογένεσης - αντιπροσωπεύοντας δύο ξεχωριστές περιπτώσεις συγκλίνουσας εξέλιξης.

"Ανεξάρτητα, οι χιτώνες εξέλιξαν τα μάτια - και, μέσω αυτών, αυτό που πιστεύουμε ότι είναι πιθανό κάτι σαν χωρική όραση - τέσσερις φορές, κάτι που είναι πραγματικά εντυπωσιακό", είπε ο Varney. «Εξέλιξαν επίσης τόσο απίστευτα γρήγορα». Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι στο νεοτροπικό γένος Χίτωνας, για παράδειγμα, οι οφθαλμικές κηλίδες εξελίχθηκαν μέσα σε μόλις 7 εκατομμύρια χρόνια - ένα κλείσιμο του ματιού στον εξελικτικό χρόνο.

Τα αποτελέσματα εξέπληξαν τους ερευνητές. «Σκεφτόμουν ότι ήταν μια σταδιακή εξέλιξη στην πολυπλοκότητα, από τους αισθητικούς σε ένα σύστημα ματιών στα μάτια του κελύφους — μια πολύ ικανοποιητική εξέλιξη», είπε. Νταν Σπάιζερ, οπτικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καρολίνας και συν-συγγραφέας της εργασίας. «Αντίθετα, υπάρχουν πολλά μονοπάτια προς το όραμα».

Αλλά γιατί ορισμένες γενεαλογίες εξελίχθηκαν τα μάτια του κελύφους και όχι τα μάτια; Κατά τη διάρκεια μιας εξάωρης διαδρομής από ένα συνέδριο στο Φοίνιξ πίσω στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο Βάρνεϊ και ο Όκλεϊ άρχισαν να αναπτύσσουν την υπόθεση ότι ο αριθμός των σχισμών στο κέλυφος ενός χιτώνα θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την εξέλιξη της όρασης του χιτώνα.

Όλες οι δομές που ανιχνεύουν το φως στο κέλυφος του χιτώνα, εξήγησε ο Varney, συνδέονται με νεύρα, τα οποία περνούν μέσα από τις σχισμές του κελύφους για να συνδεθούν με τα κύρια νεύρα του σώματος. Οι σχισμές λειτουργούν ως οργανωτές καλωδίων, συνδυάζοντας τους αισθητήριους νευρώνες μεταξύ τους. Περισσότερες σχισμές σημαίνουν περισσότερα ανοίγματα μέσα από τα οποία μπορούν να τρέξουν τα νεύρα.

Συμβαίνει ότι ο αριθμός των σχισμών είναι τυπική πληροφορία που καταγράφεται κάθε φορά που κάποιος περιγράφει ένα νέο είδος χιτώνα. «Οι πληροφορίες ήταν εκεί έξω, αλλά χωρίς το πλαίσιο μιας φυλογένεσης για να τις αντιστοιχίσουμε, δεν είχε κανένα νόημα», είπε ο Varney. «Έτσι πήγα και το κοίταξα και άρχισα να βλέπω αυτό το μοτίβο».

Ο Varney είδε ότι δύο φορές, ανεξάρτητα, οι γενεαλογίες με 14 ή περισσότερες σχισμές στην πλάκα κεφαλής εξέλιξαν οφθαλμικές κηλίδες. Και δύο φορές, ανεξάρτητα, γενεαλογίες με 10 ή λιγότερες σχισμές εξελίχθηκαν τα μάτια του κελύφους. Συνειδητοποίησε ότι ο αριθμός των σχισμών που είναι κλειδωμένοι στη θέση τους, ποιος τύπος ματιού θα μπορούσε να εξελιχθεί: Ένας χιτώνας με χιλιάδες οφθαλμικές κηλίδες χρειάζεται περισσότερες σχισμές, ενώ ένας χιτώνας με εκατοντάδες μάτια από κέλυφος χρειάζεται λιγότερες. Εν ολίγοις, ο αριθμός των σχισμών του κελύφους καθόρισε την εξέλιξη των οπτικών συστημάτων των πλασμάτων.

Τα ευρήματα οδηγούν σε μια νέα σειρά ερωτήσεων. Ένα που ερευνούν ενεργά οι ερευνητές είναι γιατί ο αριθμός των σχισμών περιορίζει τον τύπο του ματιού που μπορεί να εξελιχθεί. Η απάντηση θα απαιτήσει εργασία για να αποσαφηνιστεί το κύκλωμα των οπτικών νεύρων και πώς επεξεργάζονται σήματα από εκατοντάδες ή χιλιάδες μάτια.

Εναλλακτικά, η σχέση μεταξύ του τύπου των ματιών και του αριθμού των σχισμών μπορεί να οφείλεται όχι στις ανάγκες της όρασης αλλά στον τρόπο με τον οποίο οι πλάκες αναπτύσσονται και μεγαλώνουν σε διαφορετικές γενεές, πρότεινε η Sumner-Rooney. Οι πλάκες του κελύφους αναπτύσσονται από το κέντρο προς τα έξω κατά συσσώρευση και τα μάτια προστίθενται σε όλη τη διάρκεια ζωής του χιτώνα καθώς μεγαλώνει η άκρη. «Τα πιο ηλικιωμένα μάτια είναι εκείνα που βρίσκονται στη μέση του ζώου και τα πιο πρόσφατα προστέθηκαν στις άκρες», είπε η Sumner-Rooney. Ως χιτώνας, «μπορείτε να ξεκινήσετε τη ζωή σας με 10 μάτια και να ολοκληρώσετε τη ζωή σας με 200 μάτια».

Κατά συνέπεια, η αναπτυσσόμενη άκρη μιας πλάκας κελύφους πρέπει να αφήνει τρύπες για νέα μάτια — πολλές μικρές τρύπες για τα μάτια ή λιγότερες μεγαλύτερες τρύπες για τα μάτια του κελύφους. Πάρα πολλές ή πολύ μεγάλες τρύπες θα μπορούσαν να αποδυναμώσουν ένα κέλυφος στο σημείο θραύσης του, επομένως δομικοί παράγοντες μπορεί να περιορίσουν ποια μάτια είναι πιθανά.

Πολλά απομένουν να ανακαλυφθούν σχετικά με το πώς βλέπουν οι χιτώνες τον κόσμο, αλλά στο μεταξύ, τα μάτια τους ετοιμάζονται να γίνουν το νέο αγαπημένο παράδειγμα των βιολόγων εξέλιξης που εξαρτάται από το μονοπάτι, είπε ο Nilsson. «Παραδείγματα εξάρτησης από το μονοπάτι που μπορούν να αποδειχθούν πραγματικά καλά, όπως [είναι] αυτή η περίπτωση, είναι σπάνια — παρόλο που το φαινόμενο δεν είναι μόνο κοινό, αλλά είναι ο τυπικός τρόπος με τον οποίο συμβαίνουν τα πράγματα».