Biologer har ofta undrat vad som skulle hända om de kunde spola tillbaka bandet av livets historia och låta evolutionen spela om igen. Skulle härstamningar av organismer utvecklas på radikalt olika sätt om de ges den möjligheten? Eller skulle de tendera att utveckla samma slags ögon, vingar och andra adaptiva egenskaper eftersom deras tidigare evolutionära historia redan hade skickat dem ner på vissa utvecklingsvägar?

A ny tidning publicerad idag in Vetenskap beskriver ett sällsynt och viktigt testfall för den frågan, vilket är grundläggande för att förstå hur evolution och utveckling samverkar. Ett team av forskare vid University of California, Santa Barbara råkade ut för det när de studerade synens utveckling i en obskyr grupp blötdjur som kallas chitoner. I den gruppen av djur upptäckte forskarna att två typer av ögon - ögonfläckar och skalögon - var och en utvecklades två gånger oberoende av varandra. En given härstamning kan utveckla den ena eller den andra typen av öga, men aldrig båda.

Intressant nog bestämdes typen av öga som en härstamning hade av ett till synes orelaterade äldre särdrag: antalet slitsar i chitonens skalpansar. Detta representerar ett verkligt exempel på "vägberoende evolution", där en släktlinjes historia oåterkalleligt formar dess framtida evolutionära bana. Kritiska tidpunkter i en släktlinje fungerar som enkelriktade dörrar, öppnar upp vissa möjligheter samtidigt som de stänger av andra alternativ för gott.

"Detta är ett av de första fallen [där] vi faktiskt har kunnat se vägberoende evolution," sa Rebecca Varney, postdoktor i Todd Oakleys labb vid UCSB och huvudförfattaren till den nya tidningen. Även om vägberoende evolution har observerats i vissa bakterier som odlats i laboratorier, "var det en riktigt spännande sak att kunna göra att visa att i ett naturligt system."

"Det finns alltid en inverkan av historien på framtiden för en viss egenskap," sa Lauren Sumner-Rooney, som studerar ryggradslösa visuella system vid Leibniz Institute for Evolution and Biodiversity Science och var inte involverad i den nya studien. "Det som är särskilt intressant och spännande med det här exemplet är att författarna verkar ha pekat ut det ögonblick i tiden där du får den splittringen."

Av den anledningen kommer chitonerna "sannolikt att komma in i framtida läroböcker om evolution" som ett exempel på vägberoende evolution, sa Dan-Eric Nilsson, en visuell ekolog vid Lunds universitet i Sverige som inte var involverad i forskningen.

Chitoner, små blötdjur som lever på klippor mellan tidvatten och i djuphavet, är som små tankar skyddade av åtta skalplattor - en kroppsplan som har varit relativt stabil i cirka 300 miljoner år. Långt ifrån att vara inert rustning, är dessa skalplattor kraftigt dekorerade med känselorgan som gör det möjligt för chitonerna att upptäcka möjliga hot.

Sensoriska organ finns i tre typer. Alla chitoner har esteter, en väldigt synestetisk allt-i-ett-receptor som gör det möjligt för dem att känna av ljus såväl som kemiska och mekaniska signaler i miljön. Vissa chitoner har också korrekta visuella system: antingen tusentals ljusavkännande ögonfläckar eller hundratals mer komplexa skalögon, som har en lins och näthinna för att ta grova bilder. Djur med skalögon kan upptäcka hotande rovdjur, som svar på vilka de klämmer sig hårt mot berget.

För att förstå hur denna variation av chitonögon utvecklades, tittade ett team av forskare under ledning av Varney på hur hundratals chitonarter är släkt. De använde en teknik som kallas exome capture för att sekvensera strategiska sektioner av DNA från gamla exemplar i insamlingen av Doug Eernisse, en chitonspecialist vid California State University, Fullerton. Sammantaget sekvenserade de DNA från mer än 100 arter noggrant utvalda för att representera hela bredden av chitondiversitet, och sammanställde den hittills mest omfattande fylogenin (eller trädet av evolutionära relationer) för chitoner.

Sedan kartlade forskarna de olika ögontyperna på fylogenin. Det första steget innan man utvecklade antingen skalögon eller ögonfläckar, observerade forskarna, var en ökning av tätheten av esteter på skalet. Först då kunde mer komplexa ögon dyka upp. Ögonfläckar och skalögon utvecklades var och en två separata gånger över fylogenin - vilket representerar två separata fall av konvergent evolution.

"Självständigt utvecklade chitoner ögon - och genom dem, vad vi tror är troligen något som rumslig syn - fyra gånger, vilket är riktigt imponerande," sa Varney. "De utvecklades också så otroligt snabbt." Forskarna uppskattade det i det neotropiska släktet Chiton, till exempel, ögonfläckarna utvecklades inom bara 7 miljoner år - ett ögonblick i evolutionär tid.

Resultaten överraskade forskarna. "Jag tänkte att det var en stegvis evolution i komplexitet, som gick från esteterna till ett ögonfläckssystem till skalögonen - en mycket tillfredsställande utveckling," sa Dan Speiser, en visuell ekolog vid University of South Carolina och en pappersmedförfattare. "Istället finns det flera vägar mot vision."

Men varför utvecklade vissa härstamningar skalögon snarare än ögonfläckar? Under en sex timmars bilresa från en konferens i Phoenix tillbaka till Santa Barbara började Varney och Oakley utveckla hypotesen att antalet slitsar i ett chitons skal kan vara nyckeln till utvecklingen av chitonseendet.

Alla ljusavkännande strukturer på chitonskalet, förklarade Varney, är fästa vid nerver, som passerar genom skalslitsarna för att ansluta till kroppens huvudnerver. Slitsarna fungerar som kabelorganisatörer och binder ihop sensoriska neuroner. Fler slitsar betyder fler öppningar genom vilka nerver kan löpa.

Det råkar vara så att antalet slitsar är standardinformation som registreras när någon beskriver en ny chitonart. "Informationen fanns där ute, men utan sammanhanget av en fylogeni att kartlägga den tillbaka till, hade den ingen mening," sa Varney. "Så jag gick och tittade på det här och började se det här mönstret."

Varney såg att två gånger, oberoende av varandra, linjer med 14 eller fler slitsar i huvudplattan utvecklade ögonfläckar. Och två gånger, oberoende, utvecklade linjer med 10 eller färre slitsar skalögon. Hon insåg att antalet slitsar låste sig på plats vilken typ av ögontyp skulle kunna utvecklas: En chiton med tusentals ögonfläckar behöver fler slitsar, medan en chiton med hundratals skalögon behöver färre. Kort sagt, antalet skalslitsar bestämde utvecklingen av varelsernas visuella system.

Resultaten leder till en ny uppsättning frågor. En som forskarna aktivt undersöker är varför antalet slitsar begränsar vilken typ av öga som kan utvecklas. Svar som kommer att kräva arbete för att klargöra synnervernas kretsar och hur de behandlar signaler från hundratals eller tusentals ögon.

Alternativt kan förhållandet mellan ögontyp och antalet slitsar inte styras av synens behov utan av hur plattorna utvecklas och växer i olika linjer, föreslog Sumner-Rooney. Skalplattor växer från mitten och utåt genom ackretion, och ögon läggs till under hela chitonens liv när kanten växer. "De äldsta ögonen är de i mitten av djuret, och de senast läggs till i kanterna," sa Sumner-Rooney. Som chiton, "kan du börja livet med 10 ögon och avsluta ditt liv med 200 ögon."

Som en konsekvens måste den växande kanten på en skalplatta lämna hål för nya ögon - många små hål för ögonfläckarna, eller färre större hål för skalögonen. För många eller för stora hål kan försvaga ett skal till dess bristningspunkt, så strukturella faktorer kan begränsa vilka ögon som är möjliga.

Mycket återstår att upptäcka om hur chitoner ser på världen, men under tiden är deras ögon redo att bli biologernas nya favoritexempel på vägberoende evolution, sa Nilsson. "Exempel på vägberoende som verkligen kan demonstreras, som det här fallet [är], är sällsynta - även om fenomenet inte bara är vanligt, det är det vanliga sättet saker händer."