چشم نرم تن نشان می دهد که چگونه تکامل آینده به گذشته بستگی دارد | مجله کوانتا

زیست‌شناسان اغلب به این فکر کرده‌اند که اگر بتوانند نوار تاریخ زندگی را به عقب برگردانند و اجازه دهند که تکامل دوباره از نو پخش شود، چه اتفاقی می‌افتد. آیا اگر این فرصت داده شود، دودمان موجودات به روش‌های کاملاً متفاوتی تکامل می‌یابند؟ یا آیا آنها تمایل به تکامل همان نوع چشم‌ها، بال‌ها و سایر ویژگی‌های تطبیقی ​​دارند، زیرا تاریخچه‌های تکاملی قبلی‌شان قبلاً آنها را به مسیرهای رشدی خاصی فرستاده بود؟

A مقاله جدیدی که امروز منتشر شد in علم یک مورد آزمایشی نادر و مهم را برای این سؤال توصیف می کند که برای درک چگونگی تعامل تکامل و توسعه اساسی است. تیمی از محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، در حین مطالعه تکامل بینایی در گروهی از نرم تنان مبهم به نام کیتون، به آن برخورد کردند. در آن گروه از حیوانات، محققان کشف کردند که دو نوع چشم - لکه‌های چشمی و چشم‌های صدفی - هر کدام دو بار به طور مستقل تکامل یافته‌اند. یک اصل و نسب معین می تواند یک نوع چشم یا نوع دیگر را تکامل دهد، اما هرگز هر دو را.

به طرز جالبی، نوع چشمی که یک دودمان داشت با یک ویژگی قدیمی‌تر به ظاهر نامرتبط تعیین می‌شد: تعداد شکاف‌های زره ​​پوسته کیتون. این نشان‌دهنده نمونه‌ای در دنیای واقعی از «تکامل وابسته به مسیر» است که در آن تاریخ یک دودمان به‌طور برگشت‌ناپذیر مسیر تکاملی آینده آن را شکل می‌دهد. مقاطع حساس در یک اصل و نسب مانند درهای یک طرفه عمل می کنند و برخی از احتمالات را باز می کنند و در عین حال گزینه های دیگر را برای همیشه می بندند.

گفت: «این یکی از اولین موارد [که در آن] ما در واقع توانسته ایم تکامل وابسته به مسیر را ببینیم. ربکا وارنی، یک دانشجوی فوق دکتری در آزمایشگاه تاد اوکلی در UCSB و نویسنده اصلی مقاله جدید. اگرچه تکامل وابسته به مسیر در برخی از باکتری‌های رشد یافته در آزمایشگاه‌ها مشاهده شده است، "نشان دادن این امر در یک سیستم طبیعی واقعاً کار هیجان‌انگیزی بود که بتوان انجام داد."

گفت: "همیشه تاثیر تاریخ بر آینده یک ویژگی خاص وجود دارد." لورن سامنر-رونی، که سیستم های بینایی بی مهرگان را در موسسه علوم تکامل و تنوع زیستی لایب نیتس مطالعه می کند و در مطالعه جدید شرکت نداشت. نکته جالب و هیجان‌انگیز در مورد این مثال این است که به نظر می‌رسد نویسندگان لحظه‌ای را مشخص کرده‌اند که در آن به این تقسیم می‌شوید.»

به همین دلیل، کیتون ها به عنوان نمونه ای از تکامل وابسته به مسیر "احتمالا وارد کتاب های درسی آینده در مورد تکامل خواهند شد". دن اریک نیلسونیک بوم شناس بصری در دانشگاه لوند سوئد که در این تحقیق شرکت نداشت.

کیتون‌ها، نرم تنان کوچکی که بر روی سنگ‌های جزر و مدی و در اعماق دریا زندگی می‌کنند، مانند تانک‌های کوچکی هستند که توسط هشت صفحه پوسته محافظت می‌شوند - طرح بدنی که برای حدود 300 میلیون سال نسبتاً ثابت مانده است. این صفحات پوسته به دور از زره بی اثر، به شدت با اندام های حسی تزئین شده اند که کیتون ها را قادر می سازد تهدیدات احتمالی را تشخیص دهند.

اندام های حسی به سه نوع تقسیم می شوند. همه کیتون ها دارای زیبایی هستند، یک گیرنده یکپارچه به طرز وحشیانه ای که آنها را قادر می سازد نور و همچنین نشانه های شیمیایی و مکانیکی را در محیط حس کنند. برخی از کیتون‌ها همچنین دارای سیستم‌های بینایی مناسب هستند: یا هزاران نقطه چشمی حساس به نور یا صدها چشم پوسته پیچیده‌تر که دارای عدسی و شبکیه برای گرفتن تصاویر خشن هستند. حیواناتی که چشم‌های صدفی دارند می‌توانند شکارچیان در حال ظهور را تشخیص دهند و در پاسخ به آن‌ها خود را محکم روی سنگ می‌گیرند.

برای درک چگونگی تکامل این تنوع از چشم‌های کیتون، تیمی از محققان به رهبری وارنی چگونگی ارتباط صدها گونه کیتون را بررسی کردند. آنها از تکنیکی به نام exome capture برای تعیین توالی بخش های استراتژیک DNA از نمونه های قدیمی در مجموعه ای استفاده کردند. داگ ارنیسه، متخصص کیتون در دانشگاه ایالتی کالیفرنیا، فولرتون. در مجموع، آنها DNA بیش از 100 گونه را که به دقت انتخاب شده بودند، توالی یابی کردند تا وسعت کامل تنوع کیتون را نشان دهند، و جامع ترین فیلوژنی (یا درخت روابط تکاملی) کیتون ها را تا به امروز جمع آوری کردند.

سپس محققان انواع مختلف چشم را بر روی فیلوژنی ترسیم کردند. محققان مشاهده کردند اولین قدم قبل از تکامل چشم های پوسته یا لکه های چشمی، افزایش تراکم زیبایی روی پوسته بود. تنها در این صورت است که چشم های پیچیده تر ظاهر می شوند. لکه‌های چشم و چشم‌های پوسته‌ای هر کدام دو بار جداگانه در طول فیلوژنی تکامل یافته‌اند - که نشان‌دهنده دو نمونه جداگانه از تکامل همگرا هستند.

وارنی می‌گوید: «کیتون‌ها به‌طور مستقل چشم‌ها را تکامل دادند - و از طریق آنها، آنچه ما فکر می‌کنیم احتمالاً چیزی شبیه به دید فضایی است - چهار بار، که واقعاً چشمگیر است. آنها همچنین به سرعت فوق العاده تکامل یافتند. محققان تخمین زدند که در جنس نوتروپیکال کیتونبرای مثال، لکه‌های چشمی تنها در طی 7 میلیون سال تکامل یافتند - یک چشم بر هم زدن در زمان تکامل.

نتایج پژوهشگران را شگفت زده کرد. گفت: «من فکر می‌کردم که این یک تکامل پلکانی در پیچیدگی است، از زیبایی‌شناسی به یک سیستم چشمی به چشم‌های پوسته می‌رود - یک پیشرفت بسیار رضایت‌بخش». دن اسپایزر، بوم شناس بصری در دانشگاه کارولینای جنوبی و یکی از نویسندگان مقاله. در عوض، مسیرهای متعددی به سوی دید وجود دارد.»

اما چرا برخی از دودمان به جای لکه های چشمی، چشم های صدفی را تکامل دادند؟ در طی یک رانندگی شش ساعته از کنفرانسی در فینیکس به سانتا باربارا، وارنی و اوکلی شروع به ایجاد این فرضیه کردند که تعداد شکاف‌ها در پوسته کیتون می‌تواند کلید تکامل بینایی کیتون باشد.

وارنی توضیح داد که تمام ساختارهای حساس به نور روی پوسته کیتون به اعصاب متصل هستند که از شکاف های پوسته عبور می کنند تا به اعصاب اصلی بدن متصل شوند. شکاف ها به عنوان سازمان دهنده کابل عمل می کنند و نورون های حسی را با هم ترکیب می کنند. شکاف های بیشتر به معنای روزنه های بیشتری است که اعصاب می توانند از آن عبور کنند.

این اتفاق می افتد که تعداد شکاف ها اطلاعات استانداردی است که هر زمان که شخصی یک گونه جدید کیتون را توصیف می کند، ثبت می شود. وارنی گفت: «اطلاعات در آنجا وجود داشت، اما بدون زمینه‌های فیلوژنی برای نقشه‌برداری از آن، معنایی نداشت. بنابراین من رفتم و به این نگاه کردم و شروع به دیدن این الگو کردم.

وارنی مشاهده کرد که دو بار، به طور مستقل، دودمان هایی با 14 شکاف یا بیشتر در صفحه سر، نقاط چشمی را ایجاد کردند. و دو بار، به طور مستقل، دودمان هایی با 10 شکاف یا کمتر، چشم های صدفی را تکامل دادند. او متوجه شد که تعداد شکاف‌هایی که در محل قفل شده‌اند که نوع چشمی می‌تواند تکامل یابد: یک کیتون با هزاران نقطه چشم به شکاف‌های بیشتری نیاز دارد، در حالی که کیتون با صدها چشم صدفی به کمتری نیاز دارد. به طور خلاصه، تعداد شکاف‌های پوسته، تکامل سیستم‌های بینایی موجودات را تعیین کرد.

یافته ها منجر به مجموعه جدیدی از سوالات می شود. یکی از مواردی که محققان به طور فعال در حال بررسی آن هستند این است که چرا تعداد شکاف ها نوع چشمی را که می تواند تکامل یابد محدود می کند. پاسخ به آن نیازمند کار برای روشن کردن مدار اعصاب بینایی و چگونگی پردازش سیگنال‌های صدها یا هزاران چشم است.

سامنر-رونی پیشنهاد کرد، از سوی دیگر، رابطه بین نوع چشم و تعداد شکاف‌ها ممکن است نه به دلیل نیازهای بینایی، بلکه به دلیل نحوه رشد و رشد صفحات در دودمان‌های مختلف باشد. صفحات پوسته ای از مرکز به سمت بیرون رشد می کنند و با رشد لبه، چشم ها در طول عمر کیتون اضافه می شوند. سامنر رونی گفت: «قدیمی‌ترین چشم‌ها چشم‌هایی هستند که در وسط حیوان قرار دارند و جدیدترین آن‌ها در لبه‌ها اضافه شده‌اند. به عنوان یک کیتون، "شما ممکن است زندگی را با 10 چشم شروع کنید و زندگی خود را با 200 چشم به پایان برسانید."

در نتیجه، لبه در حال رشد یک صفحه پوسته باید سوراخ هایی را برای چشم های جدید ایجاد کند - بسیاری از سوراخ های کوچک برای لکه های چشم، یا سوراخ های بزرگتر کمتر برای چشم های پوسته. سوراخ‌های بیش از حد یا خیلی بزرگ می‌تواند پوسته را تا نقطه شکستش ضعیف کند، بنابراین عوامل ساختاری ممکن است چشم‌ها را محدود کنند.

نیلسون گفت که هنوز چیزهای زیادی در مورد اینکه کیتون ها جهان را می بینند باید کشف شود، اما در این بین، چشمان آنها در حال تبدیل شدن به نمونه جدید مورد علاقه زیست شناسان از تکامل وابسته به مسیر هستند. «نمونه‌هایی از وابستگی به مسیر که می‌توان آن‌ها را به خوبی نشان داد، همانطور که در این مورد وجود دارد، نادر هستند - حتی اگر این پدیده نه تنها رایج است، بلکه روش استانداردی است که اتفاق می‌افتد.»