A puhatestűek szemei ​​megmutatják, hogyan függ a jövő evolúciója a múlttól | Quanta Magazin

A biológusok gyakran töprengenek azon, mi történne, ha visszatekerhetnék az élet történetének szalagját, és hagynák, hogy az evolúció elölről játszódjon le. Vajon az élőlények leszármazási vonalai gyökeresen eltérő módon fejlődnének, ha lehetőséget kapnának erre? Vagy hajlamosak volna ugyanazokat a szemeket, szárnyakat és más alkalmazkodó tulajdonságokat kifejleszteni, mert korábbi evolúciós történetük már bizonyos fejlődési utakon vezette őket?

A ma jelent meg új lap in Tudomány egy ritka és fontos tesztesetet ír le ehhez a kérdéshez, amely alapvető fontosságú az evolúció és a fejlődés kölcsönhatásának megértéséhez. A Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem kutatóinak csoportja a látás fejlődésének tanulmányozása közben esett rá a puhatestűek egy homályos csoportjában, az úgynevezett chitonokban. Ebben az állatcsoportban a kutatók felfedezték, hogy kétféle szem – a szemfoltok és a kagylószemek – kétszer egymástól függetlenül fejlődött ki. Egy adott leszármazási vonal kifejlesztheti az egyik vagy a másik szemtípust, de soha nem mindkettőt.

Érdekes módon egy származású szem típusát egy látszólag nem rokon régebbi jellemző határozta meg: a rések száma a chiton páncélpáncélján. Ez az „útfüggő evolúció” valós példája, amelyben egy származás története visszavonhatatlanul alakítja jövőbeli evolúciós pályáját. A származás kritikus pontjai egyirányú ajtóként működnek, megnyitva néhány lehetőséget, míg más lehetőségeket végleg bezárva.

"Ez az egyik első eset, amikor ténylegesen láthattunk útfüggő evolúciót" - mondta Rebecca Varney, posztdoktori ösztöndíjas Todd Oakley laboratóriuma az UCSB-nél és az új tanulmány vezető szerzője. Jóllehet útfüggő evolúciót figyeltek meg néhány laboratóriumban tenyésztett baktériumban, „nagyon izgalmas dolog volt ennek megmutatása egy természetes rendszerben”.

„A történelem mindig hatással van egy adott tulajdonság jövőjére” – mondta Lauren Sumner-Rooney, aki gerinctelen vizuális rendszereket tanulmányoz a Leibniz Institute for Evolution and Biodiversity Science-ben, és nem vett részt az új vizsgálatban. „Ebben a példában az az érdekes és izgalmas, hogy úgy tűnik, hogy a szerzők pontosan meghatározták azt a pillanatot, amikor ez a kettészakad.”

Emiatt a kitonok „valószínűleg bekerülnek az evolúcióról szóló jövőbeli tankönyvekbe” az útfüggő evolúció példájaként. Dan-Eric Nilsson, a svéd Lund Egyetem vizuális ökológusa, aki nem vett részt a kutatásban.

A chitonok, kis puhatestűek, amelyek az árapály szikláin és a mélytengerben élnek, olyanok, mint egy kis tartály, amelyet nyolc kagylólemez véd – a test felépítése körülbelül 300 millió évig viszonylag stabil maradt. Ezek a héjlemezek távolról sem inert páncélok, hanem erősen díszített érzékszervekkel, amelyek lehetővé teszik a kitinok számára, hogy észleljék a lehetséges fenyegetéseket.

Az érzékszerveknek három típusa van. Minden kitin rendelkezik esztétákkal, egy vadul szinesztetikus all-in-one receptorral, amely lehetővé teszi számukra, hogy érzékeljék a fényt, valamint a környezet kémiai és mechanikai jeleit. Egyes chitonoknak megfelelő látórendszerük is van: vagy több ezer fényérzékelő szemfolt, vagy több száz bonyolultabb héjszem, amelyek lencsével és retinával rendelkeznek a durva képek rögzítéséhez. A kagylószemű állatok észlelhetik a fenyegető ragadozókat, erre válaszul szorosan a sziklához szorítják magukat.

Hogy megértsük, hogyan fejlődött ki ez a változatos kitonszem, egy Varney vezette kutatócsoport megvizsgálta, hogyan kapcsolódnak több száz kitonfaj. Az exome capture nevű technikát alkalmazták a gyűjteményben lévő régi mintákból származó DNS stratégiai szakaszainak szekvenálására Doug Eernisse, chiton specialista a Kaliforniai Állami Egyetemen, Fullertonban. Mindent összevetve több mint 100 faj DNS-ét szekvenálták, amelyeket gondosan választottak ki, hogy reprezentálják a kitinok sokféleségének teljes skáláját, összeállítva a kitonok eddigi legátfogóbb törzsét (vagy evolúciós kapcsolatok fáját).

Ezután a kutatók feltérképezték a különböző szemtípusokat a törzsfejlődésre. A kutatók megfigyelése szerint az első lépés a kagylószemek vagy a szemfoltok kialakulása előtt az esztéták sűrűségének növekedése volt a héjon. Csak akkor jelenhetnek meg összetettebb szemek. A szemfoltok és a kagylószemek két külön alkalommal fejlődtek ki a törzsfejlődésben – ami a konvergens evolúció két különálló példáját jelenti.

„Függetlenül a kitonok négyszer fejlesztették ki a szemet – és rajtuk keresztül azt, amit valószínűnek tartunk, mint a térlátás –, ami igazán lenyűgöző” – mondta Varney. "Ezek is hihetetlenül gyorsan fejlődtek." A kutatók becslése szerint a neotróp nemzetségben Görög ruhaPéldául a szemfoltok mindössze 7 millió év alatt fejlődtek ki – az evolúciós időben egy szempillantás alatt.

Az eredmények meglepték a kutatókat. „Azt gondoltam, hogy ez a komplexitás lépcsőzetes fejlődése, az esztétáktól a szemfoltrendszeren át a kagylószemekig – ez egy nagyon kielégítő fejlődés” – mondta. Dan Speiser, vizuális ökológus a Dél-Karolinai Egyetemen és a papír társszerzője. "Ehelyett több út vezet a látás felé."

De miért alakult ki egyes vonalak kagylószemeket, nem pedig szemfoltokat? A phoenix-i konferenciától Santa Barbarába tartó hatórás autóút során Varney és Oakley elkezdte kidolgozni azt a hipotézist, hogy a chiton héjában lévő rések száma kulcsfontosságú lehet a kitonlátás fejlődésében.

Varney magyarázata szerint a kitonhéjon lévő összes fényérzékelő szerkezet idegekhez kapcsolódik, amelyek a héj résein áthaladva csatlakoznak a test fő idegeihez. A rések kábelrendezőként funkcionálnak, összekapcsolva az érzékszervi neuronokat. Több rés több nyílást jelent, amelyeken keresztül az idegek futhatnak.

Előfordul, hogy a rések száma szabványos információ, amelyet bármikor rögzítenek, amikor valaki új kitonfajt ír le. "Az információ kint volt, de a filogenetika kontextusa nélkül, amelyre vissza lehetne vezetni, nem volt értelme" - mondta Varney. "Elmentem, megnéztem ezt, és elkezdtem látni ezt a mintát."

Varney látta, hogy a fejlemezen 14 vagy több hasadékkal rendelkező vonalakból egymástól függetlenül kétszer is szemfoltok alakultak ki. És kétszer, egymástól függetlenül, a 10 vagy annál kevesebb résből álló vonalakból héjszem alakult ki. Rájött, hogy a helyükre záródó rések száma milyen szemtípus alakulhat ki: a több ezer szemfolttal rendelkező chitonnak több résre van szüksége, míg a több száz kagylószemű chitonnak kevesebbre van szüksége. Röviden, a kagylórések száma meghatározta a lények vizuális rendszerének fejlődését.

A megállapítások új kérdésekhez vezetnek. Az egyik, amit a kutatók aktívan vizsgálnak, az az, hogy a rések száma miért korlátozza a szem típusát, amely fejlődhet. Ennek megválaszolása munkát igényel a látóidegek áramkörének tisztázásához és annak tisztázásához, hogyan dolgozzák fel a több száz vagy több ezer szemből érkező jeleket.

Alternatív megoldásként a szem típusa és a rések száma közötti összefüggést nem a látás szükségletei határozhatják meg, hanem az, ahogyan a lemezek különböző vonalakban fejlődnek és nőnek, javasolta Sumner-Rooney. A kagylólemezek a középponttól kifelé nőnek felgyülemléssel, és a szemek a chiton élete során egészül ki, ahogy a széle nő. "A legrégebbi szemek az állat közepén vannak, a legújabbak pedig a széleken" - mondta Sumner-Rooney. Khitonként „kezdheti az életet 10 szemmel, és befejezheti az életét 200 szemmel”.

Következésképpen a kagylólemez növekvő élének lyukakat kell hagynia az új szemek számára – sok kis lyukat a szemfoltoknak, vagy kevesebb nagyobb lyukat a kagylószemeknek. A túl sok vagy túl nagy lyuk meggyengítheti a héjat a töréspontjáig, így a szerkezeti tényezők korlátozhatják, hogy mely szemek lehetségesek.

Sokat kell még felfedezni azzal kapcsolatban, hogy a kitonok hogyan látják a világot, de időközben szemük a biológusok új kedvenc példájává válik az útfüggő evolúcióban, mondta Nilsson. „Ritka az útfüggőség példája, amelyek valóban jól kimutathatók, mint ez az eset – annak ellenére, hogy a jelenség nemcsak gyakori, hanem a dolgok szokásos módja is.”