Oči mehkužca razkrivajo, kako je prihodnji razvoj odvisen od preteklosti | Revija Quanta

Biologi so se pogosto spraševali, kaj bi se zgodilo, če bi lahko previli trak zgodovine življenja in pustili, da se evolucija odvija znova. Ali bi se rodovi organizmov razvijali na radikalno drugačne načine, če bi imeli to priložnost? Ali pa bi se nagibali k razvoju enakih vrst oči, kril in drugih prilagoditvenih lastnosti, ker jih je njihova prejšnja evolucijska zgodovina že poslala po določenih razvojnih poteh?

A nov članek, objavljen danes in Znanost opisuje redek in pomemben testni primer za to vprašanje, ki je temeljnega pomena za razumevanje medsebojnega delovanja evolucije in razvoja. Skupina raziskovalcev s kalifornijske univerze v Santa Barbari je naletela nanj med preučevanjem evolucije vida pri nejasni skupini mehkužcev, imenovanih hitoni. Pri tej skupini živali so raziskovalci odkrili, da sta se dve vrsti oči - očesne pege in školjke - razvili dvakrat neodvisno. Določena linija bi lahko razvila eno ali drugo vrsto očesa, nikoli pa obeh.

Zanimivo je, da je vrsto očesa, ki ga je imela linija, določila na videz nepovezana starejša lastnost: število rež v oklepu hitonove školjke. To predstavlja resnični primer »evolucije, odvisne od poti«, v kateri zgodovina linije nepreklicno oblikuje njeno prihodnjo evolucijsko pot. Kritične točke v liniji delujejo kot enosmerna vrata, ki odpirajo nekatere možnosti, medtem ko za vedno zapirajo druge možnosti.

"To je eden od prvih primerov, [kjer] smo dejansko lahko videli evolucijo, odvisno od poti," je dejal Rebecca Varney, podoktorska sodelavka v Laboratorij Todda Oakleyja pri UCSB in glavni avtor novega prispevka. Čeprav so pri nekaterih bakterijah, gojenih v laboratorijih, opazili razvoj, ki je odvisen od poti, je bilo »prikazovanje tega v naravnem sistemu res vznemirljiva stvar, ki jo lahko počnemo«.

"Vedno obstaja vpliv zgodovine na prihodnost določene lastnosti," je rekel Lauren Sumner-Rooney, ki proučuje vidne sisteme nevretenčarjev na Leibnizovem inštitutu za znanost o evoluciji in biotski raznovrstnosti in ni bil vključen v novo študijo. "Kar je pri tem primeru posebej zanimivo in vznemirljivo, je to, da se zdi, da so avtorji natančno določili trenutek, v katerem pride do tega razcepa."

Iz tega razloga bodo hitoni "verjetno vstopili v prihodnje učbenike o evoluciji" kot primer evolucije, odvisne od poti, je dejal Dan-Eric Nilsson, vizualni ekolog na univerzi Lund na Švedskem, ki ni bil vključen v raziskavo.

Hitoni, majhni mehkužci, ki živijo na skalah ob plimovanju in v globokem morju, so kot majhni rezervoarji, zaščiteni z osmimi ploščami lupine – telesni načrt, ki je ostal relativno stabilen približno 300 milijonov let. Daleč od tega, da bi bili inerten oklep, so te plošče školjk močno okrašene s senzoričnimi organi, ki hitonom omogočajo zaznavanje možnih groženj.

Čutni organi so v treh vrstah. Vsi hitoni imajo estete, divje sinestetičen vse-v-enem receptor, ki jim omogoča zaznavanje svetlobe ter kemičnih in mehanskih znakov v okolju. Nekateri hitoni imajo tudi ustrezne vidne sisteme: bodisi na tisoče očesnih peg, ki zaznavajo svetlobo, bodisi na stotine bolj zapletenih školjkastih oči, ki imajo lečo in mrežnico za zajemanje grobih slik. Živali s školjkastimi očmi lahko zaznajo grozeče plenilce, v odgovor na katere se tesno oprimejo skale.

Da bi razumeli, kako se je razvila ta vrsta hitonskih oči, je skupina raziskovalcev pod vodstvom Varneyja preučila, kako je povezanih na stotine vrst hitonov. Uporabili so tehniko, imenovano zajemanje eksomov, za zaporedje strateških delov DNK iz starih primerkov v zbirki Doug Eernisse, specialist za hitone na kalifornijski državni univerzi Fullerton. Skupaj so sekvencirali DNK iz več kot 100 vrst, skrbno izbranih za predstavitev celotne širine raznolikosti hitonov, in sestavili najobsežnejšo filogenijo (ali drevo evolucijskih odnosov) za hitone do sedaj.

Nato so raziskovalci preslikali različne vrste oči v filogenijo. Raziskovalci so opazili, da je prvi korak pred razvojem bodisi školjkastih oči ali očesnih peg povečanje gostote estetov na lupini. Šele takrat so se lahko pojavile bolj zapletene oči. Očesne pege in lupinaste oči so se skozi filogenezo razvile dvakrat ločeno - kar predstavlja dva ločena primera konvergentne evolucije.

"Neodvisno so hitoni štirikrat razvili oči - in skozi njih tisto, kar mislimo, da je verjetno nekaj podobnega prostorskemu vidu - štirikrat, kar je res impresivno," je dejal Varney. "Tudi tako so se razvili neverjetno hitro." Raziskovalci so ocenili, da v neotropskem rodu Chiton, na primer, očesne pege so se razvile v samo 7 milijonih let – utrip očesa v evolucijskem času.

Rezultati so presenetili raziskovalce. "Mislil sem, da gre za postopen razvoj kompleksnosti, od estetov do sistema očesnih točk do školjkastih oči - zelo zadovoljiv napredek," je dejal Dan Speiser, vizualni ekolog na Univerzi v Južni Karolini in soavtor prispevka. "Namesto tega obstaja več poti do vizije."

Toda zakaj so se pri nekaterih linijah razvile školjkaste oči namesto očesnih peg? Med šesturno vožnjo s konference v Phoenixu nazaj v Santa Barbaro sta Varney in Oakley začela razvijati hipotezo, da bi lahko bilo število rež v hitonovi lupini ključno za razvoj hitonovega vida.

Varney je pojasnil, da so vse strukture za zaznavanje svetlobe na hitonski lupini pritrjene na živce, ki prehajajo skozi reže lupine, da se povežejo z glavnimi telesnimi živci. Reže delujejo kot organizatorji kablov in združujejo senzorične nevrone. Več rež pomeni več odprtin, skozi katere lahko tečejo živci.

Tako se zgodi, da je število rež standardni podatek, ki se zabeleži vsakič, ko nekdo opiše novo vrsto hitona. "Informacije so bile tam zunaj, vendar brez konteksta filogenije, na katero bi jih preslikali nazaj, niso imele nobenega pomena," je dejal Varney. "Tako sem šel in pogledal to in začel videti ta vzorec."

Varney je videl, da so se dvakrat neodvisno razvile linije s 14 ali več režami na glavi plošče. In dvakrat, neodvisno, so se linije z 10 ali manj režami razvile školjkaste oči. Spoznala je, da je število rež zaklenjeno na svojem mestu, katera vrsta oči se lahko razvije: hiton s tisoči očesnih peg potrebuje več rež, medtem ko hiton s stotinami školjkastih oči potrebuje manj. Skratka, število rež lupine je določilo razvoj vizualnih sistemov bitij.

Ugotovitve vodijo do novega sklopa vprašanj. Raziskovalci aktivno raziskujejo, zakaj število rež omejuje vrsto očesa, ki se lahko razvije. Odgovor na to bo zahteval delo, da bi razjasnili vezje optičnih živcev in kako obdelujejo signale iz stotin ali tisoč oči.

Druga možnost je, da razmerje med vrsto oči in številom rež morda ne temelji na potrebah vida, ampak na način, kako se plošče razvijajo in rastejo v različnih linijah, je predlagal Sumner-Rooney. Plošče lupine rastejo od središča navzven s priraščanjem, oči pa se dodajajo skozi celo življenje hitona, ko raste rob. "Najstarejše oči so tiste na sredini živali, najnovejše pa so dodane na robovih," je dejal Sumner-Rooney. Kot hiton, "lahko začnete življenje z 10 očmi in končate svoje življenje z 200 očmi."

Posledično mora rastoči rob plošče lupine puščati luknje za nove oči - veliko majhnih lukenj za očesne pege ali manj večjih lukenj za oči školjke. Preveč ali prevelike luknje lahko oslabijo lupino do točke zloma, zato lahko strukturni dejavniki omejijo, katere oči so možne.

Še veliko je treba odkriti o tem, kako hitoni vidijo svet, toda medtem so njihove oči pripravljene, da postanejo biologov nov najljubši primer evolucije, odvisne od poti, je dejal Nilsson. "Primeri odvisnosti od poti, ki jih je mogoče res dobro dokazati, kot je ta primer [je], so redki - čeprav pojav ni samo pogost, je standardni način, kako se stvari dogajajo."