生物学者は、生命の歴史のテープを巻き戻して進化をもう一度やり直すことができたらどうなるだろうかとよく考えてきました。もしその機会が与えられたら、生物の系統は根本的に異なる方法で進化するでしょうか?それとも、以前の進化の歴史がすでに特定の発達経路をたどっていたため、同じ種類の目、翼、その他の適応形質を進化させる傾向があるのでしょうか?

A 今日出版された新しい論文 in 科学 は、その質問に対するまれで重要なテスト ケースを説明しています。これは、進化と発達がどのように相互作用するかを理解するための基礎となります。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究チームは、キトンと呼ばれる軟体動物のあいまいなグループの視覚の進化を研究しているときに、この発見に遭遇した。研究者らは、その動物群において、眼点と貝殻の目という 2 種類の目がそれぞれ独立して 2 回進化したことを発見しました。特定の系統はどちらかのタイプの目を進化させる可能性がありますが、両方の目を進化させることはできません。

興味深いことに、系統が持つ目のタイプは、一見無関係に見える古い特徴、つまりキトンの甲羅の鎧のスリットの数によって決定されました。これは、系統の歴史が将来の進化の軌道を決定する、「経路依存進化」の実世界の例を表しています。血統における重要な分岐点は一方通行のドアのように機能し、いくつかの可能性を開く一方で、他の選択肢を永久に閉ざします。

「これは、経路依存的な進化を実際に確認できた最初のケ​​ースの1つです」と述べた。 レベッカ・ヴァーニー、博士研究員 トッド・オークリーの研究室 UCSB の博士であり、新しい論文の筆頭著者です。経路に依存した進化は実験室で培養された一部の細菌で観察されているが、「自然の系でそれを示すことは、本当に興味深いことだった」。

「特定の形質の将来には常に歴史の影響があります」と彼は言いました。 ローレン・サムナー・ルーニー同氏はライプニッツ進化・生物多様性科学研究所で無脊椎動物の視覚システムを研究しているが、今回の研究には関与していない。 「この例で特に興味深く、刺激的なのは、著者らがその分裂が起こる瞬間を正確に特定したように見えることです。」

そのため、キトンは経路依存進化の一例として「進化に関する将来の教科書に載る可能性が高い」と同氏は述べた。 ダン＝エリック・ニルソンスウェーデンのルンド大学の視覚生態学者だが、この研究には関与していない。

潮間帯の岩の上や深海に生息する小さな軟体動物であるキトンは、300 枚の殻板で保護された小さな水槽のようなものです。この体の構造は、約 XNUMX 億年間比較的安定したままです。これらのシェルプレートは不活性な装甲とは程遠く、キトンが潜在的な脅威を感知できるようにする感覚器官で装飾が施されています。

感覚器官には3つの種類があります。すべてのキトンは、環境中の光だけでなく化学的および機械的な合図を感知することを可能にする、非常に共感覚的なオールインワン受容体である美的感覚を持っています。一部のキトンは適切な視覚システムを備えています。つまり、光を感知する数千の眼点、または大まかな画像を捕捉するためのレンズと網膜を備えた数百のより複雑な貝殻の目のいずれかです。貝殻の目を持った動物は、迫りくる捕食者を感知し、それに応じて岩にしっかりとつかまり立ちます。

このさまざまなキトンの目がどのように進化したのかを理解するために、ヴァーニー率いる研究チームは、数百のキトン種がどのように関連しているかを調べた。彼らは、エクソームキャプチャと呼ばれる技術を使用して、コレクション内の古い標本からDNAの重要なセクションを配列しました。 ダグ・アーニッセ、カリフォルニア州立大学フラートン校のキトンの専門家。全体として、彼らはキトンの多様性の全範囲を表すために慎重に選択された 100 種以上の DNA を配列し、これまでで最も包括的なキトンの系統発生 (または進化関係の系統樹) を組み立てました。

次に研究者らは、さまざまな目のタイプを系統発生にマッピングしました。研究者らは、貝殻の目や眼点が進化する前の最初のステップは、貝殻上の美的感覚の密度の増加であると観察した。そうして初めて、より複雑な目が現れる可能性があります。眼点と貝殻の目は、系統発生を通じてそれぞれ 2 回別々に進化しました。これは、収斂進化の 2 つの別々の例を表しています。

「独立して、キトンは目、そしてそれを通しておそらく空間視覚のようなものであると私たちが考えているものを4回進化させました。これは本当に印象的です」とヴァーニー氏は述べた。 「彼らはまた、信じられないほど急速に進化しました。」研究者らは、新熱帯性の属では、 キトンたとえば、眼点はわずか 7 万年以内に進化しました。進化の時間では瞬きにすぎません。

その結果は研究者らを驚かせた。 「美的感覚からアイスポット システム、貝殻の目へと段階的に複雑さが進化していると考えていました。非常に満足のいく進歩でした」と氏は語った。 ダン・スパイザー、サウスカロライナ大学の視覚生態学者であり、論文の共著者でもあります。 「代わりに、ビジョンへの道は複数あります。」

しかし、なぜいくつかの系統が眼点ではなく貝殻の目を進化させたのでしょうか?フェニックスでの会議からサンタバーバラまで車で6時間戻る途中、ヴァーニーとオークリーは、キトンの殻のスリットの数がキトンの視覚の進化の鍵となる可能性があるという仮説を立て始めた。

ヴァーニー氏の説明によると、キトンの殻にあるすべての光を感知する構造は神経に取り付けられており、神経は殻のスリットを通って体の主要な神経に接続されている。スリットはケーブル オーガナイザーとして機能し、感覚ニューロンを束ねます。スリットが増えると、神経が通る穴が増えることになります。

たまたま、スリットの数は、誰かが新しいキトン種を説明するたびに記録される標準的な情報です。 「情報はそこにありましたが、それをマッピングするための系統発生のコンテキストがなければ、何の意味もありませんでした」とヴァーニー氏は言う。 「それで私は行ってこれを調べたところ、このパターンが見え始めました。」

ヴァーニーは、頭部板に 14 本以上のスリットを持つ系統がアイスポットを進化させたことを、独立して 10 回観察しました。そして、XNUMX回、独立して、XNUMX個以下のスリットを持つ系統が貝殻の目を進化させました。彼女は、所定の位置に固定されたスリットの数によって、目のタイプが進化する可能性があることに気づきました。数千の眼点を持つキトンにはより多くのスリットが必要ですが、数百の貝殻の目を持つキトンには必要なスリットの数は少なくなります。つまり、貝殻のスリットの数が生物の視覚系の進化を決定したのです。

この発見は一連の新たな疑問につながります。研究者らが積極的に研究しているのは、なぜスリットの数が進化できる目の種類を制限するのかということだ。それに答えるには、視神経の回路と、視神経が何百、何千もの目からの信号をどのように処理するかを解明する研究が必要となる。

あるいは、目のタイプとスリットの数の関係は、視力の必要性によってではなく、さまざまな系統におけるプレートの発達と成長の方法によって左右される可能性があると、サムナー＝ルーニー氏は示唆した。貝殻プレートは付着によって中心から外側に向かって成長し、キトンの一生を通じて端が成長するにつれて目が追加されます。 「最も古い目は動物の中央にあり、最も最近に追加された目は端にあります」とサムナー・ルーニー氏は述べた。キトンのように、「人生は 10 個の目で始まり、200 個の目で人生を終えるかもしれません。」

結果として、貝殻板の成長する端には、新しい目のための穴、つまり眼点用の小さな穴をたくさん残すか、貝殻の目用の大きな穴を少なくする必要があります。穴が多すぎたり大きすぎたりすると、シェルが限界点まで弱くなる可能性があるため、構造的要因によりどの目が使用できるかが制限される可能性があります。

キトンが世界をどのように見ているかについてはまだ多くのことが解明されていないが、それまでの間、彼らの目は生物学者にとって経路依存進化の新たなお気に入りの例となる準備が整っているとニルソン氏は語った。 「今回のケースのように、経路依存性が本当によく実証できる例はまれです。たとえこの現象が一般的であるだけでなく、物事が起こる標準的な方法であるにもかかわらずです。」