Mollusk Eyes paljastaa, kuinka tuleva evoluutio riippuu menneisyydestä | Quanta-lehti

Biologit ovat usein pohtineet, mitä tapahtuisi, jos he voisivat kelata elämänhistorian nauhaa taaksepäin ja antaa evoluution pelata uudestaan. Kehittyisivätkö organismien sukulinjat radikaalisti eri tavoin, jos niille annettaisiin tämä mahdollisuus? Vai olisiko heillä tapana kehittää samanlaisia ​​silmiä, siivejä ja muita mukautuvia piirteitä, koska heidän aiemmat evoluutiohistoriansa olivat jo lähettäneet heidät tiettyjä kehityspolkuja pitkin?

A uusi lehti julkaistu tänään in tiede kuvaa harvinaista ja tärkeää testitapausta tälle kysymykselle, joka on olennainen evoluution ja kehityksen vuorovaikutuksen ymmärtämisessä. Kalifornian yliopiston Santa Barbarassa tutkijaryhmä sattui siihen tutkiessaan näön kehitystä epäselvässä nilviäisryhmässä, jota kutsutaan kitioneiksi. Tässä eläinryhmässä tutkijat havaitsivat, että kahden tyyppiset silmät - silmätäplät ja kuori silmät - kumpikin kehittyivät kahdesti itsenäisesti. Tietty sukulinja voi kehittää yhden tai toisen silmätyypin, mutta ei koskaan molempia.

Mielenkiintoista on, että sukulinjalla olevan silmätyypin määritti näennäisesti toisiinsa liittymätön vanhempi piirre: chitonin kuorihaarniskassa olevien rakojen lukumäärä. Tämä edustaa todellista esimerkkiä "polusta riippuvaisesta evoluutiosta", jossa sukulinjan historia muokkaa peruuttamattomasti sen tulevaa kehityskulkua. Sukulinjan kriittiset kohdat toimivat kuin yksisuuntaiset ovet, jotka avaavat joitain mahdollisuuksia ja sulkevat muut vaihtoehdot lopullisesti.

"Tämä on yksi ensimmäisistä tapauksista, joissa olemme todella voineet nähdä polusta riippuvan evoluution", sanoi Rebecca Varney, tutkijatohtori vuonna Todd Oakleyn laboratorio UCSB:ssä ja uuden paperin johtava kirjoittaja. Vaikka joissakin laboratorioissa kasvatetuissa bakteereissa on havaittu polusta riippuvaa kehitystä, "sen osoittaminen luonnollisessa järjestelmässä oli todella jännittävää tehdä".

"Historialla on aina vaikutusta tietyn piirteen tulevaisuuteen", sanoi Lauren Sumner-Rooney, joka tutkii selkärangattomien näköjärjestelmiä Leibnizin evoluutio- ja biodiversiteettitieteen instituutissa eikä ollut mukana uudessa tutkimuksessa. "Tässä esimerkissä on erityisen mielenkiintoista ja jännittävää, että kirjoittajat näyttävät paikanneen ajankohdan, jolloin tämä jakautuminen tapahtuu."

Tästä syystä kitinit "todennäköisesti tulevat tuleviin evoluution oppikirjoihin" esimerkkinä polusta riippuvasta evoluutiosta, sanoi. Dan-Eric Nilsson, visuaalinen ekologi Lundin yliopistosta Ruotsista, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.

Chitonit, pienet nilviäiset, jotka elävät vuorovesikivillä ja syvässä meressä, ovat kuin pieniä säiliöitä, joita suojaa kahdeksan kuorilevyä – kehon rakenne, joka on pysynyt suhteellisen vakaana noin 300 miljoonaa vuotta. Nämä kuorilevyt eivät suinkaan ole inerttejä panssareita, vaan ne on koristeltu voimakkaasti aistielimillä, joiden avulla kitinit voivat havaita mahdollisia uhkia.

Aistielimiä on kolmea tyyppiä. Kaikissa kitineissä on esteettejä, villin synteettinen all-in-one-reseptori, jonka avulla ne voivat aistia valoa sekä kemiallisia ja mekaanisia vihjeitä ympäristössä. Joillakin kitineillä on myös kunnolliset näköjärjestelmät: joko tuhansia valoa tunnistavia silmäpisteitä tai satoja monimutkaisempia kuorisilmiä, joissa on linssi ja verkkokalvo karkeiden kuvien ottamista varten. Kuorisilmät omaavat eläimet voivat havaita uhkaavia petoeläimiä, jolloin ne puristavat itsensä tiukasti kallioon.

Ymmärtääkseen, kuinka tämä monimuotoinen kitinilmä kehittyi, Varneyn johtama tutkijaryhmä tarkasteli, kuinka sadat kitinilajit liittyvät toisiinsa. He käyttivät tekniikkaa, jota kutsutaan exome-kaappaukseksi, sekvensoidakseen strategisia DNA-osia kokoelmassa olevista vanhoista näytteistä Doug Eernisse, chiton-asiantuntija Kalifornian osavaltion yliopistossa Fullertonissa. Kaiken kaikkiaan he sekvensoivat DNA:ta yli 100 lajista, jotka oli huolellisesti valittu edustamaan koko kitinidiversiteetin laajuutta ja koonnut tähän mennessä kattavimman fysiologian (tai evoluutiosuhteiden puun) kitioneille.

Sitten tutkijat kartoittivat eri silmätyypit fysiologiaan. Tutkijat havaitsivat, että ensimmäinen askel ennen kuoren silmien tai silmätäplien kehittymistä oli esteettien tiheyden lisääntyminen kuoressa. Vasta silloin voivat näkyä monimutkaisemmat silmät. Silmätäplät ja kuoren silmät kehittyivät kumpikin kaksi erillistä kertaa fysiologiassa - edustaen kahta erillistä konvergentin evoluutiota.

"Riippumatta, kitinit kehittivät silmät - ja niiden kautta todennäköisesti jotain spatiaalista näköä - neljä kertaa, mikä on todella vaikuttavaa", Varney sanoi. "Ne myös kehittyivät uskomattoman nopeasti." Tutkijat arvioivat, että neotrooppisessa suvussa ChitonEsimerkiksi silmätäplät kehittyivät vain 7 miljoonassa vuodessa – silmänräpäyksessä evoluution aikana.

Tulokset yllättivät tutkijat. "Ajattelin, että se oli vaiheittaista monimutkaisuuden kehitystä, joka siirtyi esteetistä silmätäpläjärjestelmästä kuoren silmiin - erittäin tyydyttävä kehitys", sanoi. Dan Speiser, visuaalinen ekologi Etelä-Carolinan yliopistosta ja paperin toinen kirjoittaja. "Sen sijaan visioon on useita polkuja."

Mutta miksi jotkut sukulinjat kehittivät kuoren silmät silmätäplien sijaan? Kuuden tunnin ajomatkan aikana Phoenixissa pidetystä konferenssista takaisin Santa Barbaraan Varney ja Oakley alkoivat kehittää hypoteesia, jonka mukaan chitonin kuoren halkeamien määrä voisi olla avain kitioninäön kehitykseen.

Varney selitti, että kaikki kitinikuoren valoa tunnistavat rakenteet on kiinnitetty hermoihin, jotka kulkevat kuoren rakojen läpi ja yhdistyvät kehon päähermoihin. Raot toimivat kaapelin järjestäjinä ja yhdistävät sensoriset neuronit yhteen. Enemmän rakoja tarkoittaa enemmän aukkoja, joiden läpi hermot voivat kulkea.

On niin, että rakojen lukumäärä on vakiotietoa, joka tallennetaan aina, kun joku kuvaa uutta kitinilajia. "Tiedot olivat ulkona, mutta ilman fylogian kontekstia, johon se oli kartoitettava, sillä ei ollut mitään merkitystä", Varney sanoi. "Joten menin katsomaan tätä ja aloin nähdä tämän kuvion."

Varney näki, että kahdesti toisistaan ​​riippumatta linjat, joissa oli 14 tai enemmän rakoa päälevyssä, kehittivät silmätäpliä. Ja kahdesti toisistaan ​​riippumatta sukulinjat, joissa oli 10 tai vähemmän rakoa, kehittivät kuoren silmät. Hän tajusi, että paikoilleen lukittujen rakojen määrä, minkälainen silmätyyppi voisi kehittyä: Kitoni, jossa on tuhansia silmätäpliä, tarvitsee enemmän rakoja, kun taas chitoni, jossa on satoja kuorisilmiä, tarvitsee vähemmän. Lyhyesti sanottuna kuoren rakojen määrä määritti olentojen visuaalisen järjestelmän kehityksen.

Tulokset johtavat uusiin kysymyksiin. Yksi, jota tutkijat tutkivat aktiivisesti, on se, miksi rakojen määrä rajoittaa silmätyyppiä, joka voi kehittyä. Vastaaminen vaatii työtä optisten hermojen piirien selvittämiseksi ja kuinka ne käsittelevät satojen tai tuhansien silmien signaaleja.

Vaihtoehtoisesti silmätyypin ja rakojen lukumäärän välistä suhdetta ei ehkä ohjaa näön tarpeet, vaan tapa, jolla levyt kehittyvät ja kasvavat eri linjoissa, Sumner-Rooney ehdotti. Kuorilevyt kasvavat keskeltä ulospäin kasvaessa, ja silmät lisätään koko chitonin elinkaaren ajan reunan kasvaessa. "Vanhimmat silmät ovat eläimen keskellä, ja viimeisimmät on lisätty reunoihin", Sumner-Rooney sanoi. Kitonina "voit aloittaa elämän 10 silmällä ja päättää elämäsi 200 silmällä."

Tämän seurauksena kuorilevyn kasvavan reunan on jätettävä reikiä uusille silmille - paljon pieniä reikiä silmätäplille tai vähemmän suurempia reikiä kuoren silmille. Liian monet tai liian suuret reiät voivat heikentää kuorta sen murtumispisteeseen saakka, joten rakenteelliset tekijät voivat rajoittaa mahdollisia silmiä.

Paljon on vielä selvitettävää siitä, kuinka kitinit näkevät maailman, mutta sillä välin heidän silmänsä ovat valmiita tulemaan biologien uudeksi suosikkiesimerkiksi polusta riippuvaisesta evoluutiosta, Nilsson sanoi. "Esimerkit polun riippuvuudesta, jotka voidaan todella hyvin osoittaa, kuten tämä tapaus [on], ovat harvinaisia ​​- vaikka ilmiö ei ole vain yleinen, se on tavallinen tapa asioiden tapahtua."