Глаза моллюсков показывают, как будущая эволюция зависит от прошлого | Журнал Кванта

Биологи часто задавались вопросом, что произошло бы, если бы они могли перемотать ленту истории жизни и позволить эволюции повториться заново. Будут ли линии организмов развиваться радикально по-другому, если им будет предоставлена ​​такая возможность? Или они будут склонны развивать одни и те же глаза, крылья и другие адаптивные черты, потому что их предыдущая эволюционная история уже направила их по определенным путям развития?

A новая статья опубликована сегодня in Наука описывает редкий и важный пример ответа на этот вопрос, который имеет фундаментальное значение для понимания того, как взаимодействуют эволюция и развитие. Команда исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре наткнулась на это, изучая эволюцию зрения у малоизвестной группы моллюсков, называемых хитонами. У этой группы животных исследователи обнаружили, что два типа глаз — глазные пятна и глаза-раковины — каждый эволюционировал дважды независимо. В данной линии может развиться тот или иной тип глаз, но никогда оба.

Любопытно, что тип глаза, который был у той или иной линии, определялся, казалось бы, несвязанной более старой особенностью: количеством прорезей в панцирном панцире хитона. Это представляет собой реальный пример «эволюции, зависящей от пути», в которой история линии безвозвратно формирует ее будущую эволюционную траекторию. Критические моменты в родословной действуют как двери с односторонним движением, открывая одни возможности и навсегда закрывая другие варианты.

«Это один из первых случаев, когда мы действительно смогли увидеть эволюцию, зависящую от пути», — сказал он. Ребекка Варни, постдокторант в Лаборатория Тодда Окли в UCSB и ведущий автор новой статьи. Хотя у некоторых бактерий, выращенных в лабораториях, наблюдалась зависимая от пути эволюция, «показав, что в естественной системе это действительно захватывающая вещь».

«История всегда влияет на будущее той или иной черты», — сказал Лорен Самнер-Руни, который изучает зрительные системы беспозвоночных в Институте эволюции и биоразнообразия Лейбница и не участвовал в новом исследовании. «Что особенно интересно и захватывающе в этом примере, так это то, что авторы, похоже, точно определили момент времени, когда происходит это разделение».

По этой причине хитоны «вероятно, войдут в будущие учебники по эволюции» как пример эволюции, зависящей от пути, сказал он. Дэн-Эрик Нильссон, визуальный эколог из Лундского университета в Швеции, не принимавший участия в исследовании.

Хитоны, маленькие моллюски, обитающие на приливных скалах и в глубоком море, похожи на маленькие резервуары, защищенные восемью панцирными пластинами — структура тела, которая оставалась относительно стабильной в течение примерно 300 миллионов лет. Эти панцирные пластины вовсе не являются инертной броней: они густо украшены органами чувств, которые позволяют хитонам обнаруживать возможные угрозы.

Органы чувств бывают трех типов. У всех хитонов есть эстеты — мощный синестетический универсальный рецептор, который позволяет им чувствовать свет, а также химические и механические сигналы в окружающей среде. У некоторых хитонов также есть собственные зрительные системы: либо тысячи светочувствительных глазков, либо сотни более сложных глаз-раковин, имеющих хрусталик и сетчатку для улавливания приблизительных изображений. Животные с ракушечными глазами могут обнаружить приближающихся хищников, в ответ на что они крепко вжимаются в скалу.

Чтобы понять, как развивалась эта разновидность хитонных глаз, группа исследователей под руководством Варни изучила родство сотен видов хитонов. Они использовали технику, называемую захватом экзома, для секвенирования стратегических участков ДНК из старых образцов в коллекции. Дуг Эрнисс, специалист по хитонам из Калифорнийского государственного университета в Фуллертоне. В общей сложности они секвенировали ДНК более чем 100 видов, тщательно отобранных, чтобы представить всю широту разнообразия хитонов, собрав наиболее полную на сегодняшний день филогению (или дерево эволюционных взаимоотношений) хитонов.

Затем исследователи сопоставили различные типы глаз с филогенезом. Исследователи заметили, что первым шагом перед появлением раковинных глаз или глазных пятен было увеличение плотности эстетов на раковине. Только тогда могли появиться более сложные глаза. Глазные пятна и глаза-раковины эволюционировали два раза в филогении, что представляет собой два отдельных случая конвергентной эволюции.

«Независимо друг от друга хитоны развили глаза — а через них и то, что, как мы думаем, похоже на пространственное зрение — четыре раза, что действительно впечатляет», — сказал Варни. «Они также эволюционировали невероятно быстро». Исследователи подсчитали, что у неотропического рода ХитонНапример, глазные пятна развились всего за 7 миллионов лет — мгновение ока в эволюционном времени.

Результаты удивили исследователей. «Я думал, что это была ступенчатая эволюция сложности, переход от эстетики к системе глазных пятен и к глазам-ракушкам — очень приятный прогресс», — сказал Дэн Спейзер, визуальный эколог из Университета Южной Каролины и соавтор статьи. «Вместо этого есть несколько путей к видению».

Но почему у некоторых линий развились глаза-ракушки, а не глазные пятна? Во время шестичасовой поездки с конференции в Фениксе обратно в Санта-Барбару Варни и Окли начали развивать гипотезу о том, что количество щелей в панцире хитона может иметь ключевое значение для эволюции хитонового зрения.

Все светочувствительные структуры хитонового панциря, объяснил Варни, прикреплены к нервам, которые проходят через щели панциря и соединяются с основными нервами тела. Щели действуют как организаторы кабелей, связывая сенсорные нейроны вместе. Больше прорезей означает больше отверстий, через которые могут проходить нервы.

Так получилось, что количество щелей — это стандартная информация, которая фиксируется каждый раз, когда кто-то описывает новый вид хитона. «Информация была доступна, но без контекста филогении, с помощью которого можно было бы сопоставить ее, она не имела никакого смысла», — сказал Варни. «Итак, я пошел, посмотрел на это и начал видеть эту закономерность».

Варни наблюдал, что дважды, независимо, у линий с 14 или более щелями в головной пластине появились глазные пятна. И дважды, независимо, линии с 10 или менее прорезями развили глаза-раковины. Она поняла, что количество щелей зависит от того, какой тип глаз может развиться: хитону с тысячами глазков требуется больше щелей, тогда как хитону с сотнями глазков-раковин нужно меньше. Короче говоря, количество прорезей в панцире определило эволюцию зрительных систем существ.

Результаты приводят к новому набору вопросов. Исследователи активно исследуют, почему количество щелей ограничивает тип глаза, который может развиваться. Ответ на этот вопрос потребует работы по выяснению схемы зрительных нервов и того, как они обрабатывают сигналы сотен или тысяч глаз.

С другой стороны, Самнер-Руни предположил, что взаимосвязь между типом глаз и количеством щелей может определяться не потребностями зрения, а тем, как пластинки развиваются и растут в разных линиях. Пластины раковины растут от центра наружу за счет нарастания, а глазки добавляются на протяжении всей жизни хитона по мере роста края. «Самые старые глаза находятся в середине животного, а самые новые добавлены по краям», — сказал Самнер-Руни. Будучи хитоном, «ты можешь начать жизнь с 10 глазами и закончить жизнь с 200 глазами».

Как следствие, растущий край пластинки раковины должен оставлять отверстия для новых глазков — много маленьких отверстий для глазков или меньшее количество отверстий большего размера для глазков раковины. Слишком много или слишком большие отверстия могут ослабить скорлупу до предела, поэтому структурные факторы могут ограничить количество возможных глазков.

Многое еще предстоит узнать о том, как хитоны видят мир, но тем временем их глаза готовы стать новым любимым примером биологов эволюции, зависящей от пути, сказал Нильссон. «Примеры зависимости от пути, которые можно действительно хорошо продемонстрировать, как в данном случае, редки — хотя это явление не только распространено, но и является стандартным способом происходящего».