생물학자들은 생명의 역사를 기록한 테이프를 되감아 진화가 다시 시작될 수 있다면 어떤 일이 일어날지 종종 궁금해했습니다. 기회가 주어진다면 유기체의 계통이 근본적으로 다른 방식으로 진화할까요? 아니면 이전의 진화 이력이 이미 특정 발달 경로를 따라갔기 때문에 동일한 종류의 눈, 날개 및 기타 적응 특성을 진화시키는 경향이 있습니까?

A 오늘 발표된 새 논문 in 과학 진화와 발전이 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 데 필수적인 해당 질문에 대한 드물고 중요한 테스트 사례를 설명합니다. 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스 연구팀은 키톤(chiton)이라고 불리는 알려지지 않은 연체동물 그룹의 시각 진화를 연구하던 중 우연히 이 사실을 발견했습니다. 연구진은 해당 동물 그룹에서 눈점과 껍질 눈이라는 두 가지 유형의 눈이 각각 두 번씩 독립적으로 진화했다는 사실을 발견했습니다. 특정 혈통은 한 가지 유형의 눈 또는 다른 유형의 눈을 진화시킬 수 있지만 둘 다 진화할 수는 없습니다.

흥미롭게도 한 혈통의 눈 유형은 겉보기에 관련이 없어 보이는 오래된 특징, 즉 키톤의 껍질 갑옷에 있는 틈의 수에 의해 결정되었습니다. 이는 계보의 역사가 미래의 진화 궤적을 돌이킬 수 없게 형성하는 "경로 의존적 진화"의 실제 사례를 나타냅니다. 계보의 중요한 분기점은 일방적인 문처럼 작용하여 일부 가능성을 열어주면서 다른 옵션은 영원히 닫습니다.

"이것은 경로 의존적 진화를 실제로 볼 수 있었던 최초의 사례 중 하나입니다."라고 말했습니다. 레베카 바니, 박사후 연구원 토드 오클리의 연구실 UCSB의 새 논문의 주요 저자입니다. 실험실에서 성장한 일부 박테리아에서 경로 의존적 진화가 관찰되었지만 "자연계에서 할 수 있는 일이 정말 흥미진진하다는 것을 보여줍니다."

“특정 특성의 미래에는 역사가 항상 영향을 미칩니다.”라고 말했습니다. 로렌 섬너-루니, 라이프니츠 진화 및 생물 다양성 과학 연구소에서 무척추 동물 시각 시스템을 연구하고 있으며 새로운 연구에는 참여하지 않았습니다. "이 예에서 특히 흥미롭고 흥미로운 점은 저자가 분할되는 순간을 정확히 지적한 것 같다는 것입니다."

그런 이유로 키톤은 경로 의존적 진화의 예로서 "미래의 진화 교과서에 포함될 가능성이 높다"고 말했습니다. 댄 에릭 닐슨, 스웨덴 룬드 대학의 시각 생태학자인 그는 연구에 참여하지 않았습니다.

조간대 암석과 심해에 서식하는 작은 연체동물인 키톤은 300개의 껍질판으로 보호되는 작은 탱크와 같습니다. 신체 구조는 약 XNUMX억년 동안 상대적으로 안정적으로 유지되었습니다. 비활성 갑옷과는 거리가 먼 이 껍질 판은 키톤이 가능한 위협을 감지할 수 있도록 하는 감각 기관으로 무겁게 장식되어 있습니다.

감각 기관에는 세 가지 유형이 있습니다. 모든 키톤은 환경의 빛뿐만 아니라 화학적, 기계적 단서를 감지할 수 있는 강력한 공감각 올인원 수용체인 미학을 가지고 있습니다. 일부 키톤은 또한 적절한 시각 시스템을 가지고 있습니다. 수천 개의 빛을 감지하는 안점 또는 거친 이미지를 캡처하기 위한 렌즈와 망막이 있는 수백 개의 더 복잡한 껍질 눈이 있습니다. 껍데기 눈을 가진 동물은 다가오는 포식자를 감지할 수 있으며, 이에 반응하여 바위에 몸을 단단히 고정시킵니다.

이 다양한 키톤 눈이 어떻게 진화했는지 이해하기 위해 Varney가 이끄는 연구팀은 수백 종의 키톤 종들이 어떻게 관련되어 있는지 조사했습니다. 그들은 엑솜 포획이라는 기술을 사용하여 수집된 오래된 표본에서 DNA의 전략적 부분을 배열했습니다. 더그 에르니스, 캘리포니아 주립대학교 풀러턴 캠퍼스의 키톤 전문가입니다. 전체적으로 그들은 키톤 다양성의 전체 범위를 나타내기 위해 신중하게 선택된 100개 이상의 종의 DNA 서열을 분석하여 현재까지 키톤에 대한 가장 포괄적인 계통발생(또는 진화 관계의 나무)을 구성했습니다.

그런 다음 연구자들은 다양한 눈 유형을 계통발생에 매핑했습니다. 연구자들은 껍질의 눈이나 안점이 진화하기 전 첫 번째 단계는 껍질의 마취제 밀도가 증가하는 것이라고 관찰했습니다. 그래야만 더 복잡한 눈이 나타날 수 있습니다. 눈점과 껍데기눈은 계통발생 전반에 걸쳐 각각 두 번에 걸쳐 진화했는데, 이는 수렴진화의 두 가지 개별 사례를 나타냅니다.

"독립적으로 키톤은 눈을 진화시켰고, 이를 통해 우리가 생각하는 공간 시각과 같은 것이 4번 진화했는데, 이는 정말 인상적입니다."라고 Varney는 말했습니다. "그들은 또한 믿을 수 없을 정도로 빠르게 진화했습니다." 연구자들은 신열대 속에서 키톤예를 들어, 눈점은 불과 7만 년 만에 진화했습니다. 이는 진화론적 시간에서 눈 깜짝할 사이입니다.

그 결과는 연구자들을 놀라게 했다. "저는 이것이 미학에서부터 안점 시스템, 껍질 눈까지 복잡성의 단계적 진화라고 생각했습니다. 매우 만족스러운 진행이었습니다."라고 말했습니다. 댄 스파이저, 사우스 캐롤라이나 대학의 시각 생태학자이자 논문 공동 저자입니다. "대신 비전을 향한 여러 가지 경로가 있습니다."

그런데 왜 일부 계통에서는 안점 대신 껍질 눈을 진화시켰습니까? 피닉스 회의에서 다시 산타바바라로 6시간 동안 운전하는 동안 Varney와 Oakley는 키톤 껍질에 있는 틈새의 수가 키톤 비전의 진화에 핵심이 될 수 있다는 가설을 개발하기 시작했습니다.

키톤 껍질의 모든 빛 감지 구조는 신경에 ​​부착되어 있으며 껍질 틈새를 통과하여 신체의 주요 신경에 연결된다고 Varney는 설명했습니다. 틈새는 감각 뉴런을 하나로 묶는 케이블 정리 역할을 합니다. 틈새가 많다는 것은 신경이 통과할 수 있는 구멍이 더 많다는 것을 의미합니다.

틈새의 수는 누군가가 새로운 키톤 종을 설명할 때마다 기록되는 표준 정보입니다. "정보는 거기에 있었지만 다시 매핑할 계통발생의 맥락이 없었기 때문에 아무런 의미가 없었습니다."라고 Varney는 말했습니다. "그래서 나는 가서 이것을 보고 이 패턴을 보기 시작했습니다."

Varney는 머리판에 14개 이상의 틈이 있는 계통이 두 번 독립적으로 눈점을 진화시키는 것을 확인했습니다. 그리고 두 번, 독립적으로 10개 이하의 틈을 가진 계통이 껍질 눈을 진화시켰습니다. 그녀는 어떤 종류의 눈 유형이 진화할 수 있는지에 따라 고정된 구멍의 수를 깨달았습니다. 수천 개의 눈점이 있는 키톤에는 더 많은 구멍이 필요한 반면 수백 개의 껍질 눈이 있는 키톤에는 더 적은 구멍이 필요합니다. 간단히 말해서, 껍질 틈의 수에 따라 생물의 시각 시스템의 진화가 결정되었습니다.

연구 결과는 새로운 질문으로 이어졌습니다. 연구자들이 적극적으로 조사하고 있는 것 중 하나는 틈새의 수가 진화할 수 있는 눈의 유형을 제한하는 이유입니다. 이에 답하려면 시신경의 회로와 시신경이 수백 또는 수천 개의 눈에서 보내는 신호를 어떻게 처리하는지를 밝히는 작업이 필요합니다.

또는 눈 유형과 틈새 수 사이의 관계는 시력의 필요가 아니라 판이 다른 계통에서 발달하고 성장하는 방식에 따라 결정될 수 있다고 Sumner-Rooney는 제안했습니다. 껍질 판은 부착에 의해 중앙에서 바깥쪽으로 자라며 가장자리가 자라면서 키톤의 수명 전반에 걸쳐 눈이 추가됩니다. Sumner-Rooney는 “가장 오래된 눈은 동물의 중앙에 있는 눈이고 가장 최근에는 가장자리에 추가되었습니다.”라고 말했습니다. 키톤은 “눈 10개로 인생을 시작하고 눈 200개로 인생을 마무리할 수도 있다”고 말했다.

결과적으로, 껍질 판의 성장하는 가장자리에는 새로운 눈을 위한 구멍이 있어야 합니다. 눈점을 위한 많은 작은 구멍 또는 껍질 눈을 위한 더 적은 수의 큰 구멍입니다. 구멍이 너무 많거나 너무 크면 껍질이 파손될 정도로 약화될 수 있으므로 구조적 요인으로 인해 가능한 눈이 제한될 수 있습니다.

키톤이 세상을 어떻게 보는지에 대해서는 아직 밝혀져야 할 것이 많이 남아 있지만 그 동안 그들의 눈은 생물학자들이 좋아하는 경로 의존적 진화의 새로운 예가 될 준비가 되어 있다고 Nilsson은 말했습니다. "이 경우와 같이 실제로 잘 입증될 수 있는 경로 의존성의 예는 드뭅니다. 현상이 흔할 뿐만 아니라 일이 발생하는 표준 방식임에도 불구하고."