Oczy mięczaków ujawniają, jak przyszła ewolucja zależy od przeszłości | Magazyn Quanta

Biolodzy często zastanawiali się, co by się stało, gdyby mogli przewinąć taśmę z historią życia i pozwolić, aby ewolucja rozegrała się od nowa. Czy linie organizmów ewoluowałyby w radykalnie odmienny sposób, gdyby dano nam taką możliwość? A może miałyby tendencję do wyewoluowania tego samego rodzaju oczu, skrzydeł i innych cech adaptacyjnych, ponieważ ich poprzednia historia ewolucyjna skierowała je już na określone ścieżki rozwojowe?

A nowy artykuł opublikowany dzisiaj in nauka opisuje rzadki i ważny przypadek testowy dla tego pytania, który ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia interakcji ewolucji i rozwoju. Zespół naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara natknął się na to podczas badania ewolucji wzroku u mało znanej grupy mięczaków zwanych chitonami. W tej grupie zwierząt naukowcy odkryli, że dwa rodzaje oczu – plamki oczne i oczy muszlowe – wyewoluowały dwukrotnie niezależnie. Dana linia może wyewoluować jeden lub drugi typ oka, ale nigdy oba.

Co ciekawe, rodzaj oczu danego rodu był determinowany przez pozornie niepowiązaną starszą cechę: liczbę nacięć w zbroi chitona. Stanowi to rzeczywisty przykład „ewolucji zależnej od ścieżki”, w której historia linii nieodwołalnie kształtuje jej przyszłą trajektorię ewolucyjną. Krytyczne momenty w linii przekazu działają jak jednokierunkowe drzwi, otwierając pewne możliwości, jednocześnie zamykając na dobre inne.

„To jeden z pierwszych przypadków, w których rzeczywiście udało nam się zaobserwować ewolucję zależną od ścieżki” – powiedział Rebekę Varney, doktorant w Laboratorium Todda Oakleya na UCSB i główny autor nowego artykułu. Chociaż u niektórych bakterii hodowanych w laboratoriach zaobserwowano ewolucję zależną od ścieżki, „pokazanie, że w systemie naturalnym było naprawdę ekscytującą rzeczą”.

„Historia zawsze ma wpływ na przyszłość danej cechy” – stwierdził Lauren Sumner-Rooney, który bada systemy wzrokowe bezkręgowców w Instytucie Nauk o Ewolucji i Różnorodności Biologicznej Leibniza i nie był zaangażowany w nowe badanie. „Szczególnie interesujące i ekscytujące w tym przykładzie jest to, że autorzy najwyraźniej wskazali moment w czasie, w którym następuje podział”.

Z tego powodu chitony „prawdopodobnie znajdą się w przyszłych podręcznikach ewolucji” jako przykład ewolucji zależnej od ścieżki, stwierdził Dan-Eric Nilsson, ekolog wizualny z Uniwersytetu w Lund w Szwecji, który nie był zaangażowany w badania.

Chitony, małe mięczaki żyjące na skałach międzypływowych i w głębokim morzu, przypominają małe zbiorniki chronione ośmioma płytami skorupowymi – a ich budowa pozostaje względnie stabilna przez około 300 milionów lat. Te płyty skorupy, dalekie od obojętnego pancerza, są bogato ozdobione narządami zmysłów, które umożliwiają chitonom wykrywanie potencjalnych zagrożeń.

Narządy zmysłów występują w trzech typach. Wszystkie chitony mają estety, szalenie synestetyczny receptor typu „wszystko w jednym”, który umożliwia im wyczuwanie światła oraz bodźców chemicznych i mechanicznych w otoczeniu. Niektóre chitony mają również odpowiedni układ wzrokowy: tysiące czułych na światło plamek ocznych lub setki bardziej złożonych oczu muszlowych, które mają soczewkę i siatkówkę do rejestrowania szorstkich obrazów. Zwierzęta posiadające muszlowe oczy potrafią wykryć zbliżające się drapieżniki, w odpowiedzi na co mocno przyczepiają się do skały.

Aby zrozumieć, w jaki sposób ewoluowała ta odmiana oczu chitonowych, zespół badaczy pod kierownictwem Varneya przyjrzał się powiązaniom setek gatunków chitonów. Zastosowali technikę zwaną przechwytywaniem egzomu do sekwencjonowania strategicznych odcinków DNA ze starych okazów z kolekcji Douga Eernisse’a, specjalista ds. chitonu na California State University w Fullerton. W sumie zsekwencjonowali DNA ponad 100 gatunków starannie wybranych tak, aby reprezentowały pełny zakres różnorodności chitonów, tworząc najbardziej wszechstronną filogenezę (lub drzewo powiązań ewolucyjnych) chitonów jak dotąd.

Następnie badacze zmapowali różne typy oczu na filogenezę. Naukowcy zaobserwowali, że pierwszym krokiem przed wyewoluowaniem oczu muszlowych lub plamek ocznych był wzrost gęstości estetów na muszli. Dopiero wtedy mogą pojawić się bardziej złożone oczy. Plamki oczne i oczy muszlowe ewoluowały dwa razy w ciągu filogenezy - reprezentując dwa oddzielne przypadki zbieżnej ewolucji.

„Niezależnie od tego chitony wyewoluowały oczy – a dzięki nim to, co naszym zdaniem prawdopodobnie przypomina widzenie przestrzenne – czterokrotnie, co jest naprawdę imponujące” – powiedział Varney. „Oni również ewoluowali niewiarygodnie szybko”. Naukowcy oszacowali, że w rodzaju neotropikalnym Chitonna przykład plamki oczne wyewoluowały w ciągu zaledwie 7 milionów lat – czyli mrugnięcia okiem w czasie ewolucji.

Wyniki zaskoczyły badaczy. „Myślałem, że była to stopniowa ewolucja złożoności, przechodząca od estetów przez system plamek ocznych do oczu muszlowych – bardzo satysfakcjonujący postęp” – powiedział Dana Speisera, ekolog wizualny na Uniwersytecie Karoliny Południowej i współautor artykułu. „Zamiast tego istnieje wiele ścieżek prowadzących do wizji”.

Ale dlaczego w niektórych liniach ewoluowały oczy muszlowe, a nie plamki oczne? Podczas sześciogodzinnej jazdy z konferencji w Phoenix z powrotem do Santa Barbara Varney i Oakley zaczęli rozwijać hipotezę, że liczba szczelin w skorupie chitonu może być kluczem do ewolucji widzenia chitonu.

Varney wyjaśnił, że wszystkie wrażliwe na światło struktury na muszli chitonowej są przyczepione do nerwów, które przechodzą przez szczeliny w muszli i łączą się z głównymi nerwami organizmu. Szczeliny pełnią funkcję organizatorów kabli, łącząc neurony czuciowe. Więcej szczelin oznacza więcej otworów, przez które mogą przebiegać nerwy.

Tak się składa, że ​​liczba szczelin jest standardową informacją zapisaną za każdym razem, gdy ktoś opisuje nowy gatunek chitonu. „Informacja tam była, ale bez kontekstu filogenezy, na który można ją było odwzorować, nie miała żadnego znaczenia” – powiedział Varney. „Więc poszedłem, spojrzałem na to i zacząłem widzieć ten wzór”.

Varney zaobserwował, że dwukrotnie, niezależnie, w liniach mających 14 lub więcej szczelin w płycie głowy wyewoluowały plamki oczne. I dwukrotnie, niezależnie, linie posiadające 10 lub mniej szczelin wyewoluowały oczy muszlowe. Uświadomiła sobie, że liczba szczelin umieszczonych w miejscu określa rodzaj oczu, które mogą ewoluować: chiton z tysiącami plamek ocznych potrzebuje więcej szczelin, podczas gdy chiton z setkami oczu muszli potrzebuje ich mniej. Krótko mówiąc, liczba szczelin skorupy determinowała ewolucję systemów wzrokowych stworzeń.

Odkrycia prowadzą do nowego zestawu pytań. Naukowcy aktywnie badają, dlaczego liczba szczelin ogranicza rodzaj oka, które może ewoluować. Odpowiedź na to pytanie będzie wymagała pracy nad wyjaśnieniem obwodów nerwów wzrokowych i sposobu, w jaki przetwarzają one sygnały z setek lub tysięcy oczu.

Alternatywnie, związek między typem oka a liczbą szczelin może wynikać nie z potrzeb wzroku, ale ze sposobu, w jaki płytki rozwijają się i rosną w różnych liniach, sugeruje Sumner-Rooney. Płytki muszli rosną od środka na zewnątrz w wyniku akrecji, a w miarę wzrostu krawędzi dodawane są oczy przez całe życie chitonu. „Najstarsze oczy znajdują się pośrodku zwierzęcia, a najnowsze dodano na krawędziach” – powiedziała Sumner-Rooney. Jako chiton „możesz zacząć życie z 10 oczami i zakończyć je z 200 oczami”.

W rezultacie rosnąca krawędź płytki muszli musi pozostawić otwory na nowe oczy - wiele małych otworów na plamki oczne lub mniej większych otworów na oczy muszli. Zbyt wiele lub zbyt duże dziury mogą osłabić skorupę aż do punktu pęknięcia, więc czynniki strukturalne mogą ograniczać liczbę możliwych oczu.

Wiele pozostaje do odkrycia na temat sposobu, w jaki chitony postrzegają świat, ale w międzyczasie ich oczy są przygotowane na to, aby stać się nowym ulubionym przykładem ewolucji zależnej od ścieżki biologów, powiedział Nilsson. „Przykłady zależności od ścieżki, które można naprawdę dobrze wykazać, jak w tym przypadku, są rzadkie — mimo że zjawisko to jest nie tylko powszechne, ale jest to standardowy sposób, w jaki to się dzieje”.