עיני רכיכות חושפות כיצד אבולוציה עתידית תלויה בעבר | מגזין קוונטה

ביולוגים תהו לא פעם מה יקרה אם יוכלו להריץ לאחור את הקלטת תולדות החיים ולתת לאבולוציה להתגלגל מחדש. האם שושלות של אורגניזמים יתפתחו בדרכים שונות בתכלית אם ניתנה לה ההזדמנות הזו? או שהם נוטים לפתח את אותם סוגים של עיניים, כנפיים ותכונות הסתגלות אחרות מכיוון שההיסטוריה האבולוציונית הקודמת שלהם כבר שלחה אותם במסלולי התפתחות מסוימים?

A מאמר חדש שפורסם היום in מדע מתאר מקרה מבחן נדיר וחשוב לשאלה זו, שהוא בסיסי להבנת האופן שבו האבולוציה וההתפתחות מתקשרות. צוות חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה נתקל בזה בזמן שחקר את התפתחות הראייה בקבוצה לא ברורה של רכיכות הנקראות צ'יטונים. בקבוצה זו של בעלי חיים, החוקרים גילו ששני סוגים של עיניים - כתמי עיניים ועיני מעטפת - כל אחד התפתח פעמיים באופן עצמאי. שושלת נתונה יכולה להתפתח סוג זה או אחר של עין, אך לעולם לא את שניהם.

באופן מסקרן, סוג העין שהיה לשושלת נקבע על ידי תכונה ישנה יותר שאינה קשורה לכאורה: מספר החרכים בשריון הפגז של הצ'יטון. זה מייצג דוגמה בעולם האמיתי של "אבולוציה תלוית נתיב", שבה ההיסטוריה של השושלת מעצבת באופן בלתי הפיך את המסלול האבולוציוני העתידי שלה. צומתים קריטיים בשושלת פועלים כמו דלתות חד-כיווניות, פותחות כמה אפשרויות תוך סגירת אפשרויות אחרות לתמיד.

"זהו אחד המקרים הראשונים [שבהם] למעשה הצלחנו לראות אבולוציה תלוית נתיב", אמר רבקה וארני, פוסט דוקטורט ב המעבדה של טוד אוקלי ב-UCSB והמחבר הראשי של המאמר החדש. למרות שאבולוציה תלוית נתיב נצפתה בכמה חיידקים שגדלו במעבדות, "להראות שבמערכת טבעית היה דבר ממש מרגש להיות מסוגל לעשות."

"תמיד יש השפעה של ההיסטוריה על העתיד של תכונה מסוימת", אמר לורן סאמנר-רוני, שחוקר מערכות חזותיות חסרי חוליות במכון לייבניץ לאבולוציה ומדעי המגוון הביולוגי ולא היה מעורב במחקר החדש. "מה שמעניין ומרגש במיוחד בדוגמה הזו הוא שנראה שהכותבים זיהו את הרגע בזמן שבו אתה מקבל את הפיצול הזה."

מסיבה זו, הצ'יטונים "צפויים להיכנס לספרי לימוד עתידיים על אבולוציה" כדוגמה לאבולוציה תלוית נתיב, אמר דן-אריק נילסון, אקולוג חזותי באוניברסיטת לונד בשבדיה שלא היה מעורב במחקר.

צ'יטונים, רכיכות קטנות שחיות על סלעים בין הגאות ובים העמוק, הם כמו טנקים קטנים המוגנים על ידי שמונה לוחות קונכיות - תוכנית גוף שנשארה יציבה יחסית במשך כ-300 מיליון שנה. רחוק מלהיות שריון אינרטי, לוחות הפגזים הללו מעוטרים בכבדות באיברי חישה המאפשרים לצ'יטונים לזהות איומים אפשריים.

איברי החישה מגיעים בשלושה סוגים. לכל הצ'יטונים יש אסתטיות, קולטן הכל-ב-אחד סינסתטי במיוחד המאפשר להם לחוש אור וכן רמזים כימיים ומכאניים בסביבה. לחלק מהצ'יטונים יש גם מערכות ראייה מתאימות: או אלפי כתמי עיניים החוששים אור או מאות עיני מעטפת מורכבות יותר, בעלות עדשה ורשתית לצילום תמונות גסות. בעלי חיים עם עיני קונכייה יכולים לזהות טורפים מתקרבים, בתגובה להם הם מהדקים את עצמם בחוזקה על הסלע.

כדי להבין כיצד התפתח מגוון זה של עיני כיטון, צוות חוקרים בראשות ורני בחן כיצד מאות מיני צ'יטונים קשורים זה לזה. הם השתמשו בטכניקה שנקראת לכידת אקסום כדי לרצף קטעים אסטרטגיים של DNA מדגימות ישנות באוסף של דאג ארניס, מומחה לצ'יטונים באוניברסיטת קליפורניה סטייט, פולרטון. בסך הכל, הם רצפו DNA מיותר מ-100 מינים שנבחרו בקפידה כדי לייצג את כל רוחב המגוון של הצ'יטונים, והרכיבו את הפילוגניה המקיפה ביותר (או עץ הקשרים האבולוציוניים) עבור הצ'יטונים עד כה.

לאחר מכן מיפו החוקרים את סוגי העיניים השונים על הפילוגניה. השלב הראשון לפני התפתחות עיני המעטפת או כתמי העין, הבחינו החוקרים, היה עלייה בצפיפות האסתטיות על הקונכייה. רק אז יכלו להופיע עיניים מורכבות יותר. כתמי עיניים ועיני מעטפת התפתחו כל אחד בשני פעמים נפרדות לאורך הפילוגניה - המייצגים שני מקרים נפרדים של אבולוציה מתכנסת.

"באופן עצמאי, הצ'יטונים התפתחו עיניים - ובאמצעותם, מה שאנחנו חושבים הוא כנראה משהו כמו ראייה מרחבית - ארבע פעמים, וזה באמת מרשים", אמר ורני. "הם גם התפתחו כל כך מהר". החוקרים העריכו כי בסוג הניאוטרופי צ'יטון, למשל, כתמי העיניים התפתחו תוך 7 מיליון שנה בלבד - הרף עין בזמן אבולוציוני.

התוצאות הפתיעו את החוקרים. "חשבתי שזו התפתחות שלבית במורכבות, מעבר מהאסתטיות למערכת כתמי עיניים לעיני המעטפת - התקדמות מספקת מאוד", אמר. דן שפייזר, אקולוג חזותי באוניברסיטת דרום קרוליינה ושותף למחבר. "במקום זאת, ישנם מספר נתיבים לעבר חזון."

אבל מדוע שושלות מסוימות פיתחו עיני קונכייה ולא כתמי עיניים? במהלך שש שעות נסיעה מכנס בפיניקס חזרה לסנטה ברברה, החלו ורני ואוקלי לפתח את ההשערה שמספר החריצים במעטפת של צ'יטון יכול להיות המפתח לאבולוציה של ראיית הצ'יטון.

כל המבנים חושי האור במעטפת הצ'יטון, הסביר וארני, מחוברים לעצבים, שעוברים דרך חריצי הקליפה כדי להתחבר לעצבים הראשיים של הגוף. החריצים מתפקדים כמארגני כבלים, מאגדים נוירונים תחושתיים יחד. יותר חריצים פירושם יותר פתחים שדרכם יכולים לעבור עצבים.

קורה שמספר החריצים הוא מידע סטנדרטי שמתועד בכל פעם שמישהו מתאר מין צ'יטון חדש. "המידע היה שם בחוץ, אבל בלי ההקשר של פילוגניה שאפשר למפות אותו בחזרה, לא הייתה לו שום משמעות", אמר ורני. "אז הלכתי והסתכלתי על זה והתחלתי לראות את הדפוס הזה."

וארני ראה שפעמיים, באופן עצמאי, שושלות עם 14 חריצים או יותר בצלחת הראש התפתחו כתמי עיניים. ופעמיים, באופן עצמאי, שושלות עם 10 חריצים או פחות התפתחו עיני קליפה. היא הבינה שמספר החריצים ננעלים במקומם איזה סוג עין יכול להתפתח: כיטון עם אלפי כתמי עיניים צריך יותר חריצים, ואילו כיטון עם מאות עיניים קליפות צריך פחות. בקיצור, מספר חריצי הקונכיות קבע את התפתחות מערכות הראייה של היצורים.

הממצאים מובילים למערכת חדשה של שאלות. אחד שהחוקרים חוקרים באופן פעיל הוא מדוע מספר החרכים מגביל את סוג העין שיכולה להתפתח. תשובה שתדרוש עבודה כדי להבהיר את המעגלים של עצבי הראייה וכיצד הם מעבדים אותות ממאות או אלפי עיניים.

לחלופין, הקשר בין סוג העין ומספר החרכים עשוי להיות מונע לא על ידי צורכי הראייה אלא על ידי האופן שבו הלוחות מתפתחים וגדלים בשושלות שונות, הציע סאמנר-רוני. לוחות מעטפת צומחים מהמרכז החוצה על ידי הצטברות, ועיניים מתווספות לאורך חיי הצ'יטון כשהקצה גדל. "העיניים העתיקות ביותר הן אלה שבאמצע החיה, והעיניים האחרונות מתווספות בקצוות", אמרה סאמנר-רוני. בתור צ'יטון, "אתה יכול להתחיל את החיים עם 10 עיניים ולסיים את חייך עם 200 עיניים."

כתוצאה מכך, הקצה הגדל של לוחית מעטפת צריך להשאיר חורים לעיניים חדשות - הרבה חורים קטנים לכתמי העיניים, או פחות חורים גדולים יותר לעיני הקליפה. חורים רבים מדי או גדולים מדי עלולים להחליש מעטפת עד לנקודת השבירה שלה, כך שגורמים מבניים עשויים להגביל אילו עיניים אפשריות.

עוד נותר לגלות הרבה על האופן שבו הצ'יטונים רואים את העולם, אבל בינתיים, עיניהם מוכנות להפוך לדוגמא האהובה החדשה של ביולוגים לאבולוציה תלוית נתיב, אמר נילסון. "דוגמאות לתלות בנתיב שניתן להדגים היטב, כמו המקרה הזה, הן נדירות - למרות שהתופעה היא לא רק נפוצה, היא הדרך הסטנדרטית שבה דברים קורים."