Очі молюсків показують, як майбутня еволюція залежить від минулого | Журнал Quanta

Біологи часто задавалися питанням, що станеться, якби вони змогли перемотати стрічку історії життя назад і дозволити еволюції розгортатися знову. Чи еволюціонували б лінії організмів кардинально по-іншому, якби була така можливість? Або вони мали б тенденцію розвивати ті самі очі, крила та інші адаптивні риси, тому що їхня попередня еволюційна історія вже направила їх певними шляхами розвитку?

A нова стаття, опублікована сьогодні in наука описує рідкісний і важливий тестовий приклад для цього питання, який є фундаментальним для розуміння того, як взаємодіють еволюція та розвиток. Команда дослідників з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі натрапила на нього під час вивчення еволюції зору у незрозумілої групи молюсків під назвою хітони. У цій групі тварин дослідники виявили, що два типи очей — очні плями та черепашки — кожен еволюціонував двічі незалежно. Даний родовід може розвинути один або інший тип очей, але ніколи обидва.

Інтригуючим є те, що тип ока, який мав родовід, визначався, здавалося б, непов’язаною давнішою особливістю: кількістю прорізів у панцирі хітона. Це реальний приклад «еволюції, що залежить від шляху», в якій історія лінії безповоротно формує її майбутню еволюційну траєкторію. Критичні моменти в родоводі діють як односторонні двері, відкриваючи одні можливості та назавжди закриваючи інші.

«Це один із перших випадків, коли ми дійсно змогли побачити еволюцію, залежну від шляху», — сказав Ребекка Варні, докторант в Лабораторія Тодда Оклі в UCSB і провідний автор нової статті. Хоча в деяких бактеріях, вирощених у лабораторіях, спостерігалася залежна від шляху еволюція, «показати це в природній системі було справді захоплюючою справою».

«Завжди існує вплив історії на майбутнє певної риси», — сказав Лорен Самнер-Руні, який вивчає зорові системи безхребетних в Інституті еволюції та біорізноманіття Лейбніца і не брав участі в новому дослідженні. «Що особливо цікаво та захоплююче в цьому прикладі, так це те, що автори, здається, точно визначили момент, коли ви отримуєте цей розкол».

З цієї причини хітони, «ймовірно, увійдуть до майбутніх підручників з еволюції» як приклад еволюції, що залежить від шляху, сказав Ден-Ерік Нільссон, візуальний еколог Лундського університету у Швеції, який не брав участі в дослідженні.

Хітони, невеликі молюски, які живуть на приливних скелях і в морських глибинах, схожі на маленькі резервуари, захищені вісьмома черепашковими пластинами — план тіла, який залишався відносно стабільним протягом приблизно 300 мільйонів років. Далеко від того, щоб бути інертною бронею, ці пластини раковини сильно прикрашені органами чуття, які дозволяють хітонам виявляти можливі загрози.

Органи чуття бувають трьох типів. Усі хітони мають естети, дико синестетичний комплексний рецептор, який дозволяє їм відчувати світло, а також хімічні та механічні сигнали в навколишньому середовищі. Деякі хітони також мають належні зорові системи: або тисячі світлочутливих очних плям, або сотні складніших раковиноподібних очей, які мають лінзу та сітківку для захоплення грубих зображень. Тварини з черепашковими очима можуть помітити насуваються хижаків, у відповідь на що щільно притискаються до скелі.

Щоб зрозуміти, як еволюціонував цей різновид очей хітонів, команда дослідників під керівництвом Варні дослідила, як пов’язані сотні видів хітонів. Вони використали техніку під назвою захоплення екзомів для секвенування стратегічних ділянок ДНК зі старих зразків у колекції Дуг Ерніссе, фахівець з хітонів Каліфорнійського державного університету Фуллертон. Загалом, вони секвенували ДНК більш ніж 100 видів, ретельно відібраних для представлення повного розмаїття хітонів, зібравши найповнішу філогенію (або дерево еволюційних зв’язків) для хітонів на сьогоднішній день.

Потім дослідники відобразили різні типи очей у філогенії. Дослідники помітили, що першим кроком перед еволюцією раковини або очної плями було збільшення щільності естетів на мушлі. Тільки тоді могли з’явитися більш складні очі. Очні плями та мушлі очі еволюціонували два рази протягом філогенезу, що представляє два окремі випадки конвергентної еволюції.

«Незалежно хітони розвинули очі — і через них те, що, на нашу думку, ймовірно, є чимось на зразок просторового зору — чотири рази, що справді вражає», — сказав Варні. «Вони також неймовірно швидко еволюціонували». Дослідники підрахували, що в неотропічному роді Хітон, наприклад, очні плями розвинулися лише за 7 мільйонів років — мить ока в еволюційному часі.

Результати здивували дослідників. «Я думав, що це поступова еволюція складності, перехід від естетів до системи очних точок і раковини — дуже задовольняюча прогресія», — сказав Ден Шпайзер, візуальний еколог в Університеті Південної Кароліни та співавтор статті. «Натомість є кілька шляхів до бачення».

Але чому в деяких лініях еволюції утворилися раковини, а не очі? Під час шестигодинної їзди від конференції у Фініксі до Санта-Барбари Варні та Оклі почали розвивати гіпотезу про те, що кількість щілин в оболонці хітона може бути ключем до еволюції зору хітона.

Варні пояснив, що всі світлочутливі структури на оболонці хітону прикріплені до нервів, які проходять через щілини оболонки, щоб з’єднатися з основними нервами тіла. Щілини функціонують як кабельні організатори, об’єднуючи сенсорні нейрони разом. Більше щілин означає більше отворів, через які можуть проходити нерви.

Так сталося, що кількість щілин є стандартною інформацією, яка записується щоразу, коли хтось описує новий вид хітона. «Інформація була там, але без контексту філогенезу, до якого можна її відобразити, вона не мала жодного значення», — сказав Варні. «Тож я пішов, подивився на це і почав бачити цю модель».

Варні побачив, що двічі, незалежно один від одного, лінії з 14 або більше щілинами в пластині голови еволюціонували очні плями. І двічі, незалежно, лінії з 10 або менше щілинами еволюціонували раковинами. Вона зрозуміла, що кількість щілин зафіксована на місці, який тип очей може еволюціонувати: хітон із тисячами очних плям потребує більше щілин, тоді як хітон із сотнями мушлеподібних очей потребує менше. Коротше кажучи, кількість щілин на черепашці визначила еволюцію зорових систем істот.

Висновки породжують новий набір питань. Дослідники активно досліджують, чому кількість щілин обмежує тип ока, який може розвиватися. Відповідь на це питання потребує з’ясування схеми зорових нервів і того, як вони обробляють сигнали від сотень чи тисяч очей.

З іншого боку, взаємозв’язок між типом очей і кількістю щілин може бути обумовлений не потребами зору, а тим, як пластини розвиваються і ростуть у різних лініях, припустив Самнер-Руні. Черепашкові пластини ростуть від центру назовні шляхом зрощення, а очі додаються протягом життя хітона, коли росте край. «Найстаріші очі знаходяться в середині тварини, а найновіші очі додані по краях», — сказала Самнер-Руні. Як хітон, «можна почати життя з 10 очима і закінчити життя з 200 очима».

Як наслідок, зростаючий край пластинки мушлі повинен залишати отвори для нових очей — багато маленьких отворів для очних плям або менше більших отворів для очей мушлі. Занадто багато або занадто великі отвори можуть послабити оболонку до її розриву, тому структурні фактори можуть обмежити можливі очі.

За словами Нільссона, ще багато чого належить дізнатися про те, як хітони бачать світ, але тим часом їхні очі готові стати новим улюбленим прикладом біологів щодо еволюції, що залежить від шляху. «Приклади залежності шляху, які можна дійсно добре продемонструвати, як цей випадок [є], рідкісні — навіть незважаючи на те, що це явище не тільки поширене, це стандартний спосіб, у який все відбувається».