لقد تساءل علماء الأحياء في كثير من الأحيان عما يمكن أن يحدث إذا تمكنوا من إعادة شريط تاريخ الحياة وتركوا التطور يحدث من جديد. هل ستتطور سلالات الكائنات الحية بطرق مختلفة جذريًا إذا أتيحت لها هذه الفرصة؟ أم أنهم سيميلون إلى تطوير نفس أنواع العيون والأجنحة والسمات التكيفية الأخرى لأن تاريخهم التطوري السابق قد أرسلهم بالفعل إلى مسارات تنموية معينة؟

A ورقة جديدة نشرت اليوم in علوم يصف حالة اختبار نادرة ومهمة لهذا السؤال، وهو أمر أساسي لفهم كيفية تفاعل التطور والتطور. وقد عثر عليه فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا أثناء دراسة تطور الرؤية في مجموعة غامضة من الرخويات تسمى الكيتونات. في تلك المجموعة من الحيوانات، اكتشف الباحثون أن نوعين من العيون – البقع العينية والعيون الصدفية – تطور كل منهما مرتين بشكل مستقل. يمكن لسلالة معينة أن تطور نوعًا واحدًا من العيون أو الآخر، ولكن ليس كليهما أبدًا.

ومن المثير للاهتمام أن نوع العين التي تمتلكها السلالة تم تحديده من خلال سمة قديمة تبدو غير ذات صلة: عدد الشقوق في درع قذيفة الكيتون. ويمثل هذا مثالاً واقعياً على "التطور المعتمد على المسار"، حيث يشكل تاريخ السلالة مسارها التطوري المستقبلي بشكل لا رجعة فيه. تعمل المنعطفات الحاسمة في السلالة كأبواب ذات اتجاه واحد، مما يفتح بعض الاحتمالات بينما يغلق الخيارات الأخرى للأبد.

وقال: "هذه واحدة من الحالات الأولى التي تمكنا فيها بالفعل من رؤية التطور المعتمد على المسار". ريبيكا فارني، زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر تود أوكلي في UCSB والمؤلف الرئيسي للورقة الجديدة. على الرغم من ملاحظة التطور المعتمد على المسار في بعض البكتيريا المزروعة في المختبرات، إلا أن "إظهار ذلك في النظام الطبيعي كان أمرًا مثيرًا حقًا أن نتمكن من القيام به".

وقال: "هناك دائمًا تأثير للتاريخ على مستقبل سمة معينة". لورين سومنر روني، الذي يدرس الأنظمة البصرية لللافقاريات في معهد لايبنيز للتطور وعلوم التنوع البيولوجي ولم يشارك في الدراسة الجديدة. "الأمر المثير للاهتمام والمثير بشكل خاص في هذا المثال هو أن المؤلفين قد حددوا اللحظة الزمنية التي تحصل فيها على هذا الانقسام."

ولهذا السبب، قال إن الكيتونات "من المرجح أن تدخل الكتب المدرسية المستقبلية حول التطور" كمثال على التطور المعتمد على المسار. دان إريك نيلسون، عالم البيئة البصرية في جامعة لوند في السويد والذي لم يشارك في البحث.

الكيتونات، وهي رخويات صغيرة تعيش على صخور المد والجزر وفي أعماق البحار، تشبه الدبابات الصغيرة المحمية بثمانية صفائح صدفية - وهو مخطط جسمي ظل مستقرًا نسبيًا لنحو 300 مليون سنة. وبعيدًا عن كونها درعًا خاملًا، فإن هذه الصفائح الصدفية مزينة بشكل كبير بأعضاء حسية تمكن الكيتونات من اكتشاف التهديدات المحتملة.

تأتي الأعضاء الحسية في ثلاثة أنواع. تمتلك جميع الكيتونات جماليات، وهي مستقبلات متكاملة ومتكاملة بشكل كبير تمكنها من استشعار الضوء بالإضافة إلى الإشارات الكيميائية والميكانيكية في البيئة. تمتلك بعض الكيتونات أيضًا أنظمة بصرية مناسبة: إما الآلاف من البقع العينية التي تستشعر الضوء أو مئات من العيون الصدفية الأكثر تعقيدًا، والتي تحتوي على عدسة وشبكية لالتقاط الصور الخشنة. يمكن للحيوانات ذات العيون الصدفية أن تكتشف الحيوانات المفترسة التي تلوح في الأفق، واستجابة لذلك تلتصق بقوة بالصخور.

لفهم كيفية تطور هذا النوع من عيون الكيتون، نظر فريق من الباحثين بقيادة فارني في كيفية ارتباط مئات الأنواع من الكيتون. لقد استخدموا تقنية تسمى التقاط exome لتسلسل المقاطع الإستراتيجية من الحمض النووي من العينات القديمة في المجموعة دوغ إيرنيس، متخصص في الكيتون في جامعة ولاية كاليفورنيا، فوليرتون. أخيرًا، قاموا بتسلسل الحمض النووي لأكثر من 100 نوع تم اختيارها بعناية لتمثيل النطاق الكامل لتنوع الكيتون، وتجميع السلالة الأكثر شمولاً (أو شجرة العلاقات التطورية) للكيتونات حتى الآن.

ثم قام الباحثون بتعيين أنواع العيون المختلفة على السلالة. لاحظ الباحثون أن الخطوة الأولى قبل تطور العيون الصدفية أو البقع العينية كانت زيادة في كثافة الجماليات على الصدفة. عندها فقط يمكن أن تظهر عيون أكثر تعقيدًا. تطورت كل من البقع العينية والعيون الصدفية مرتين منفصلتين عبر السلالة، وهو ما يمثل حالتين منفصلتين من التطور المتقارب.

قال فارني: "بشكل مستقل، طورت الكيتونات عيونًا - ومن خلالها، ما نعتقد أنه من المحتمل أن يكون شيئًا مثل الرؤية المكانية - أربع مرات، وهو أمر مثير للإعجاب حقًا". "لقد تطوروا أيضًا بسرعة لا تصدق." وقدر الباحثون ذلك في جنس الاستوائية الجديدة خيتونعلى سبيل المثال، تطورت البقع العينية خلال 7 ملايين سنة فقط، أي في غمضة عين في الزمن التطوري.

وقد فاجأت النتائج الباحثين. قال: "كنت أفكر في أنه كان تطورًا تدريجيًا في التعقيد، بدءًا من الجماليات إلى نظام نقطة العين إلى العيون الصدفية - وهو تقدم مُرضٍ للغاية". دان سبايزر، عالم البيئة البصرية في جامعة كارولينا الجنوبية ومؤلف مشارك في الورقة. "بدلاً من ذلك، هناك مسارات متعددة نحو الرؤية."

ولكن لماذا تطورت بعض السلالات بعيون صدفية بدلاً من بقع العين؟ خلال رحلة استغرقت ست ساعات بالسيارة من مؤتمر في فينيكس إلى سانتا باربرا، بدأ فارني وأوكلي في تطوير فرضية مفادها أن عدد الشقوق في قشرة الكيتون يمكن أن يكون مفتاحًا لتطور رؤية الكيتون.

وأوضح فارني أن جميع الهياكل الحساسة للضوء الموجودة في قشرة الكيتون مرتبطة بالأعصاب التي تمر عبر شقوق القشرة لتتصل بالأعصاب الرئيسية في الجسم. تعمل الشقوق كمنظم للكابلات، حيث تجمع الخلايا العصبية الحسية معًا. المزيد من الشقوق يعني المزيد من الفتحات التي يمكن للأعصاب أن تعمل من خلالها.

ويحدث أن عدد الشقوق هو معلومات قياسية يتم تسجيلها في أي وقت يصف فيه شخص ما نوعًا جديدًا من الكيتون. وقال فارني: "كانت المعلومات موجودة، ولكن بدون سياق السلالة لرسم خريطة لها، لم يكن لها أي معنى". "لذلك ذهبت ونظرت إلى هذا وبدأت أرى هذا النمط."

رأى فارني أن السلالات التي تحتوي على 14 شقًا أو أكثر في صفيحة الرأس تطورت مرتين، بشكل مستقل، إلى بقع عينية. ومرتين، بشكل مستقل، السلالات التي تحتوي على 10 شقوق أو أقل تطورت لها عيون صدفية. لقد أدركت أن عدد الشقوق المغلقة في مكانها هو نوع العين الذي يمكن أن يتطور: يحتاج الكيتون الذي يحتوي على آلاف من البقع العينية إلى عدد أكبر من الشقوق، في حين يحتاج الكيتون الذي يحتوي على مئات من العيون الصدفية إلى عدد أقل. وباختصار، فإن عدد شقوق القوقعة هو الذي يحدد تطور الأنظمة البصرية للمخلوقات.

وتؤدي النتائج إلى مجموعة جديدة من الأسئلة. أحد الأمور التي يدرسها الباحثون بنشاط هو السبب وراء تقييد عدد الشقوق لنوع العين الذي يمكن أن يتطور. تتطلب الإجابة على هذا السؤال العمل على توضيح دوائر الأعصاب البصرية وكيفية معالجة الإشارات الواردة من مئات أو آلاف العيون.

وبدلاً من ذلك، اقترح سمنر روني أن العلاقة بين نوع العين وعدد الشقوق قد لا تكون مدفوعة باحتياجات الرؤية ولكن بالطريقة التي تتطور بها الصفائح وتنمو في سلالات مختلفة. تنمو صفائح القشرة من المركز إلى الخارج عن طريق التراكم، وتضاف العيون طوال حياة الكيتون مع نمو الحافة. وقال سمنر روني: "أقدم العيون هي تلك الموجودة في منتصف الحيوان، وأحدثها تمت إضافتها عند الحواف". كخيتون، "قد تبدأ حياتك بـ 10 عيون وتنهي حياتك بـ 200 عين."

ونتيجة لذلك، يجب أن تترك الحافة المتنامية للوحة الصدفة ثقوبًا للعيون الجديدة - العديد من الثقوب الصغيرة للبقع العينية، أو عددًا أقل من الثقوب الأكبر للعيون الصدفية. يمكن أن تؤدي الثقوب الكثيرة أو الكبيرة جدًا إلى إضعاف الصدفة إلى نقطة الانهيار، لذلك قد تحدد العوامل الهيكلية العيون المحتملة.

وقال نيلسون إنه لا يزال هناك الكثير مما يجب اكتشافه حول كيفية رؤية الكيتونات للعالم، ولكن في هذه الأثناء، تستعد أعينها لتصبح المثال المفضل الجديد لعلماء الأحياء للتطور المعتمد على المسار. "إن الأمثلة على اعتماد المسار التي يمكن إثباتها جيدًا، كما هي الحال في هذه الحالة، نادرة - على الرغم من أن هذه الظاهرة ليست شائعة فحسب، بل هي الطريقة القياسية التي تحدث بها الأشياء."