Bløtdyrøyne avslører hvordan fremtidig utvikling avhenger av fortiden | Quanta Magazine

Biologer har ofte lurt på hva som ville skje hvis de kunne spole tilbake båndet av livets historie og la evolusjonen spille ut på nytt. Ville slekter av organismer utvikle seg på radikalt forskjellige måter hvis de fikk den muligheten? Eller ville de ha en tendens til å utvikle de samme typene øyne, vinger og andre adaptive egenskaper fordi deres tidligere evolusjonshistorier allerede hadde sendt dem ned visse utviklingsveier?

A ny artikkel publisert i dag in Vitenskap beskriver en sjelden og viktig testcase for det spørsmålet, som er grunnleggende for å forstå hvordan evolusjon og utvikling samhandler. Et team av forskere ved University of California, Santa Barbara kom over det mens de studerte utviklingen av syn i en obskur gruppe bløtdyr kalt chitoner. I den dyregruppen oppdaget forskerne at to typer øyne - øyeflekker og skalløyne - hver utviklet seg to ganger uavhengig. En gitt avstamning kan utvikle den ene eller den andre typen øye, men aldri begge.

Interessant nok ble typen øye som en avstamning hadde bestemt av et tilsynelatende ikke-relatert eldre trekk: antall spalter i chitonens skallrustning. Dette representerer et virkelighetseksempel på "stiavhengig evolusjon", der en slekts historie ugjenkallelig former dens fremtidige evolusjonsbane. Kritiske punkter i en avstamning fungerer som enveisdører, og åpner opp noen muligheter samtidig som de stenger andre alternativer for godt.

"Dette er et av de første tilfellene [der] vi faktisk har vært i stand til å se baneavhengig evolusjon," sa Rebecca Varney, en postdoktor i Todd Oakleys laboratorium ved UCSB og hovedforfatteren av det nye papiret. Selv om baneavhengig evolusjon har blitt observert i noen bakterier dyrket i laboratorier, "var det å vise at i et naturlig system en veldig spennende ting å kunne gjøre."

"Det er alltid en innvirkning av historien på fremtiden til en bestemt egenskap," sa Lauren Sumner-Rooney, som studerer invertebrate visuelle systemer ved Leibniz Institute for Evolution and Biodiversity Science og var ikke involvert i den nye studien. "Det som er spesielt interessant og spennende med dette eksemplet er at forfatterne ser ut til å ha pekt på tidspunktet hvor du får den splittelsen."

Av den grunn vil chitonene "sannsynligvis gå inn i fremtidige lærebøker om evolusjon" som et eksempel på stiavhengig evolusjon, sa Dan-Eric Nilsson, en visuell økolog ved Lunds universitet i Sverige som ikke var involvert i forskningen.

Chitoner, små bløtdyr som lever på bergarter mellom tidevann og i dyphavet, er som små tanker beskyttet av åtte skjellplater - en kroppsplan som har holdt seg relativt stabil i rundt 300 millioner år. Langt fra å være inert rustning, er disse skallplatene sterkt dekorert med sanseorganer som gjør det mulig for chitonene å oppdage mulige trusler.

Sanseorganene kommer i tre typer. Alle chitoner har esteter, en vilt synestetisk alt-i-ett-reseptor som gjør dem i stand til å sanse lys så vel som kjemiske og mekaniske signaler i miljøet. Noen chitoner har også riktige visuelle systemer: enten tusenvis av lysfølende øyeflekker eller hundrevis av mer komplekse skalløyne, som har en linse og netthinnen for å ta grove bilder. Dyr med skjelløyne kan oppdage truende rovdyr, som svar på at de klemmer seg tett på fjellet.

For å forstå hvordan denne variasjonen av chiton-øyne utviklet seg, så et team av forskere ledet av Varney på hvordan hundrevis av chiton-arter er relatert. De brukte en teknikk kalt eksomfangst for å sekvensere strategiske deler av DNA fra gamle prøver i samlingen av Doug Eernisse, en chiton-spesialist ved California State University, Fullerton. Alt fortalt sekvenserte de DNA fra mer enn 100 arter nøye utvalgt for å representere hele bredden av chiton-mangfoldet, og satte sammen den mest omfattende fylogenien (eller treet av evolusjonære forhold) for chitoner til dags dato.

Deretter kartla forskerne de forskjellige øyetypene på fylogenien. Det første trinnet før utviklingen av enten skalløyne eller øyeflekker, observerte forskerne, var en økning i tettheten av esteter på skallet. Først da kunne mer komplekse øyne dukke opp. Øyeflekker og skalløyne utviklet seg hver to separate ganger over fylogenien - som representerer to separate tilfeller av konvergent evolusjon.

"Uavhengig utviklet chitoner øyne - og gjennom dem, det vi tror er sannsynligvis noe som romlig syn - fire ganger, noe som er veldig imponerende," sa Varney. "De utviklet seg også så utrolig raskt." Forskerne estimerte det i den neotropiske slekten Chiton, for eksempel utviklet øyeflekkene seg i løpet av bare 7 millioner år - et øyeblink i evolusjonstiden.

Resultatene overrasket forskerne. "Jeg tenkte at det var en trinnvis utvikling i kompleksitet, fra estetikk til et øyeflekksystem til skalløyne - en veldig tilfredsstillende progresjon," sa Dan Speiser, en visuell økolog ved University of South Carolina og en papirmedforfatter. "I stedet er det flere veier mot visjon."

Men hvorfor utviklet noen avstamninger skalløyne i stedet for øyeflekker? I løpet av en seks timers kjøretur fra en konferanse i Phoenix tilbake til Santa Barbara, begynte Varney og Oakley å utvikle hypotesen om at antall spalter i et chitons skall kan være nøkkelen til utviklingen av chitonsyn.

Alle lysfølende strukturer på chiton-skallet, forklarte Varney, er festet til nerver, som passerer gjennom skallspaltene for å koble til kroppens hovednerver. Spaltene fungerer som kabelorganisatorer, og binder sensoriske nevroner sammen. Flere spalter betyr flere åpninger som nerver kan løpe gjennom.

Det har seg slik at antall spalter er standardinformasjon som registreres hver gang noen beskriver en ny chitonart. "Informasjonen var der ute, men uten konteksten til en fylogeni å kartlegge den tilbake til, hadde den ingen mening," sa Varney. "Så jeg gikk og så på dette og begynte å se dette mønsteret."

Varney så at to ganger, uavhengig av hverandre, avstamninger med 14 eller flere spalter i hodeplaten utviklet øyeflekker. Og to ganger, uavhengig av hverandre, utviklet slekter med 10 eller færre spalter skjelløyne. Hun innså at antallet spalter låste seg på plass hvilken type øyetype som kunne utvikle seg: En chiton med tusenvis av øyeflekker trenger flere spalter, mens en chiton med hundrevis av skalløyne trenger færre. Kort sagt, antall skjellspalter bestemte utviklingen av skapningenes visuelle systemer.

Funnene fører til et nytt sett med spørsmål. En som forskerne aktivt undersøker er hvorfor antall spalter begrenser hvilken type øye som kan utvikle seg. Svar som vil kreve arbeid for å belyse kretsløpet til de optiske nervene og hvordan de behandler signaler fra hundrevis eller tusenvis av øyne.

Alternativt kan forholdet mellom øyetype og antall spalter ikke være drevet av synets behov, men av måten platene utvikler og vokser i forskjellige avstamninger, foreslo Sumner-Rooney. Skallplater vokser fra midten og utover ved akkresjon, og øyne legges til gjennom hele chitonens liv når kanten vokser. "De eldste øynene er de i midten av dyret, og de siste er lagt til i kantene," sa Sumner-Rooney. Som en chiton, "kan du starte livet med 10 øyne og avslutte livet med 200 øyne."

Som en konsekvens må den voksende kanten av en skallplate etterlate hull for nye øyne - mange små hull for øyeflekkene, eller færre større hull for skalløynene. For mange eller for store hull kan svekke et skall til bristepunktet, så strukturelle faktorer kan begrense hvilke øyne som er mulige.

Det gjenstår mye å finne ut om hvordan chitoner ser verden, men i mellomtiden er øynene deres klar til å bli biologenes nye favoritteksempel på stiavhengig evolusjon, sa Nilsson. "Eksempler på stiavhengighet som kan demonstreres veldig godt, som denne saken [er], er sjeldne - selv om fenomenet ikke bare er vanlig, det er standardmåten ting skjer."