Biyologlar, yaşam tarihinin kaydını geri sarabilseler ve evrimin yeniden başlamasına izin verseler ne olacağını sıklıkla merak etmişlerdir. Eğer bu fırsat verilirse organizmaların soyları kökten farklı şekillerde evrimleşir mi? Yoksa daha önceki evrimsel geçmişleri onları zaten belirli gelişimsel yollara göndermiş olduğu için aynı türden gözler, kanatlar ve diğer adaptif özellikleri mi geliştirme eğiliminde olacaklardı?

A bugün yayınlanan yeni makale in Bilim evrim ve gelişimin nasıl etkileşimde bulunduğunu anlamak için temel olan, bu soru için nadir ve önemli bir test durumunu anlatıyor. Santa Barbara'daki California Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, chiton adı verilen, pek bilinmeyen bir yumuşakçalar grubunda görmenin evrimini incelerken bu olayla karşılaştı. Araştırmacılar, bu hayvan grubunda iki tür gözün (göz lekeleri ve kabuk gözler) her birinin bağımsız olarak iki kez evrimleştiğini keşfettiler. Belirli bir soy, bir tür göz veya diğerini geliştirebilir, ancak her ikisini birden geliştiremez.

İlginç bir şekilde, bir soyun sahip olduğu göz tipi görünüşte ilgisiz olan daha eski bir özellik tarafından belirleniyordu: Chiton'un kabuk zırhındaki yarıkların sayısı. Bu, bir soyun tarihinin, onun gelecekteki evrimsel yörüngesini geri dönülemez biçimde şekillendirdiği “yol bağımlı evrimin” gerçek dünyadaki bir örneğini temsil ediyor. Bir soydaki kritik kavşaklar tek yönlü kapılar gibi hareket ederek bazı olasılıkları açarken diğer seçenekleri tamamen kapatır.

"Bu aslında yola bağlı evrimi görebildiğimiz ilk vakalardan biri" dedi Rebecca Varney, doktora sonrası araştırma görevlisi Todd Oakley'nin laboratuvarı UCSB'de ve yeni makalenin baş yazarı. Her ne kadar laboratuvarda yetiştirilen bazı bakterilerde yola bağlı evrim gözlemlenmiş olsa da, "bunu doğal bir sistemde göstermek gerçekten heyecan verici bir şeydi."

"Belirli bir özelliğin geleceği üzerinde tarihin her zaman bir etkisi vardır" dedi Lauren Sumner-RooneyLeibniz Evrim ve Biyoçeşitlilik Bilimi Enstitüsü'nde omurgasızların görsel sistemlerini inceleyen ve yeni çalışmaya dahil olmayan Dr. "Bu örnekte özellikle ilginç ve heyecan verici olan şey, yazarların bu bölünmenin gerçekleştiği anı tam olarak belirlemiş gibi görünmesi."

Bu nedenle, kitonların yola bağımlı evrimin bir örneği olarak "gelecekteki evrim ders kitaplarına girmesi muhtemel" dedi. Dan-Eric NilssonAraştırmaya dahil olmayan İsveç'teki Lund Üniversitesi'nden görsel ekolojist.

Gelgit kayalarında ve derin denizde yaşayan küçük yumuşakçalar olan Chitonlar, sekiz kabuk plakasıyla korunan küçük tanklar gibidir; yaklaşık 300 milyon yıl boyunca nispeten sabit kalan bir vücut planı. Bu kabuk plakaları, inert zırh olmaktan ziyade, chitonların olası tehditleri tespit etmesini sağlayan duyu organlarıyla yoğun bir şekilde dekore edilmiştir.

Duyu organları üç tiptedir. Tüm chitonlar, çevredeki kimyasal ve mekanik ipuçlarının yanı sıra ışığı da algılamalarını sağlayan son derece sinestetik hepsi bir arada reseptör olan estetiğe sahiptir. Bazı chitonlar aynı zamanda uygun görsel sistemlere de sahiptir: ya binlerce ışığa duyarlı göz lekesi ya da kaba görüntüleri yakalamak için bir mercek ve retinaya sahip yüzlerce daha karmaşık kabuk göz. Deniz kabuğu gözleri olan hayvanlar, yaklaşmakta olan yırtıcı hayvanları tespit edebilir ve buna karşılık olarak kendilerini kayaya sıkıca kenetlerler.

Bu çeşit chiton gözlerinin nasıl evrimleştiğini anlamak için Varney liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, yüzlerce chiton türünün nasıl akraba olduğunu inceledi. Koleksiyondaki eski örneklerden DNA'nın stratejik bölümlerini sıralamak için ekzom yakalama adı verilen bir teknik kullandılar. Doug EernisseFullerton'daki Kaliforniya Eyalet Üniversitesi'nden bir chiton uzmanı. Sonuçta, chiton çeşitliliğinin tamamını temsil edecek şekilde dikkatle seçilmiş 100'den fazla türün DNA'sını sıraladılar ve chitonlar için bugüne kadarki en kapsamlı filogeniyi (veya evrimsel ilişkiler ağacını) bir araya getirdiler.

Daha sonra araştırmacılar farklı göz tiplerini filogeniye göre haritalandırdılar. Araştırmacıların gözlemlerine göre, kabuk gözlerin veya göz lekelerinin evrimleşmesinden önceki ilk adım, kabuk üzerindeki estetik yoğunluğunun artmasıydı. Ancak o zaman daha karmaşık gözler ortaya çıkabilir. Göz lekeleri ve kabuk gözlerin her biri filogeni boyunca iki ayrı kez evrimleşti; bu da yakınsak evrimin iki ayrı örneğini temsil ediyor.

Varney, "Bağımsız olarak, chitonlar gözleri geliştirdiler ve onlar aracılığıyla, muhtemelen mekansal görüş gibi bir şey olduğunu düşündüğümüz şey, dört kez, ki bu gerçekten etkileyici" dedi. "Ayrıca inanılmaz derecede hızlı bir şekilde geliştiler." Araştırmacılar neotropikal cinste olduğunu tahmin etti ChitonÖrneğin, göz lekeleri sadece 7 milyon yıl içinde, yani evrimsel süre içerisinde göz açıp kapayıncaya kadar bir sürede evrimleşti.

Sonuçlar araştırmacıları şaşırttı. "Bunun karmaşıklıkta adım adım bir evrim olduğunu, estetikten göz beneği sistemine, oradan da kabuk gözlere doğru ilerlediğini düşünüyordum; çok tatmin edici bir ilerleme" dedi. Dan Speiser, Güney Carolina Üniversitesi'nde görsel ekolojist ve makalenin ortak yazarı. "Bunun yerine, vizyona giden birden fazla yol var."

Peki neden bazı soylar göz lekeleri yerine kabuk gözlerini geliştirdi? Phoenix'teki bir konferanstan Santa Barbara'ya doğru altı saatlik bir yolculuk sırasında Varney ve Oakley, bir chiton'un kabuğundaki yarık sayısının chiton görüşünün evrimi için anahtar olabileceği hipotezini geliştirmeye başladılar.

Varney, chiton kabuğundaki tüm ışığa duyarlı yapıların, vücudun ana sinirlerine bağlanmak için kabuk yarıklarından geçen sinirlere bağlı olduğunu açıkladı. Yarıklar, duyusal nöronları bir araya toplayan kablo düzenleyiciler olarak işlev görüyor. Daha fazla yarık, sinirlerin geçebileceği daha fazla açıklık anlamına gelir.

Öyle ki yarık sayısı, birisi yeni bir chiton türünü tanımladığında kaydedilen standart bilgidir. Varney, "Bilgi ortadaydı, ancak onu haritalandıracak bir filogeni bağlamı olmadan hiçbir anlamı yoktu" dedi. "Ben de gidip buna baktım ve bu modeli görmeye başladım."

Varney, kafa plakasında 14 veya daha fazla yarık bulunan soyların bağımsız olarak iki kez göz lekeleri geliştirdiğini gördü. Ve birbirinden bağımsız olarak iki kez, 10 veya daha az yarığa sahip soylar kabuk gözleri geliştirdi. Hangi tür göz tipinin evrimleşebileceğini yerine kilitlenen yarıkların sayısının fark ettiğini fark etti: Binlerce göz lekesi olan bir chiton daha fazla yarığa ihtiyaç duyarken, yüzlerce deniz kabuğu gözü olan bir chiton daha az yarığa ihtiyaç duyar. Kısacası kabuk yarıklarının sayısı, canlıların görme sistemlerinin evrimini belirliyordu.

Bulgular yeni bir dizi soruya yol açıyor. Araştırmacıların aktif olarak araştırdığı konulardan biri de, yarık sayısının neden evrimleşebilecek göz tipini kısıtladığıdır. Bunu yanıtlamak, optik sinirlerin devrelerini ve yüzlerce veya binlerce gözden gelen sinyalleri nasıl işlediklerini aydınlatmak için çalışma gerektirecek.

Sumner-Rooney, alternatif olarak, göz tipi ile yarık sayısı arasındaki ilişkinin, görme gereksinimlerinden değil, plakaların farklı soylarda gelişip büyüme biçiminden kaynaklanabileceğini öne sürdü. Kabuk plakaları merkezden dışarıya doğru birikimle büyür ve kenar büyüdükçe chiton'un ömrü boyunca gözler eklenir. Sumner-Rooney, "En eski gözler hayvanın ortasındakilerdir ve en yenileri ise kenarlara eklenmiştir" dedi. Bir chiton olarak "hayata 10 gözle başlayıp 200 gözle bitirebilirsin."

Sonuç olarak, bir kabuk plakasının büyüyen kenarı yeni gözler için delikler bırakmak zorundadır; göz lekeleri için çok sayıda küçük delik veya kabuk gözler için daha az sayıda büyük delik. Çok fazla veya çok büyük delikler, kabuğu kırılma noktasına kadar zayıflatabilir, dolayısıyla yapısal faktörler hangi gözlerin mümkün olduğunu sınırlayabilir.

Nilsson, chitonların dünyayı nasıl gördüklerine dair keşfedilecek çok şey olduğunu, ancak bu arada gözlerinin biyologların yola bağlı evrimin yeni favori örneği olmaya hazır olduğunu söyledi. "Gerçekten iyi bir şekilde gösterilebilecek yol bağımlılığı örnekleri, bu durumda olduğu gibi, nadirdir - her ne kadar bu fenomen sadece yaygın olmasa da, olayların standart şekilde gerçekleşmesine de yol açıyor."