Evolution som en genbruger: Nye studier viser, at naturen ofte ombygger frem for at opfinde fra bunden

Både edderkoppestudiet og hulefiskstudiet illustrerer, at evolutionen sjældent bygger nye komplekse systemer fra bunden. I stedet 'tinker' den ofte med eksisterende genetiske værktøjskasser, modulær udvikling og neurale kredsløb og genbruger gamle dele til nye økologiske formål .

Edderkoppeøjne: Modulær genbrug fra en fælles genetisk værktøjskasse

Et stort studie af 1.098 individer fordelt på 39 edderkoppearter og 8 familier fandt variable øjenstørrelsesdynamikker på tværs af forskellige øjenpar og slægtslinjer, hvilket indikerer, at selektive pres og begrænsninger former edderkoppeøjnenes evolution . Dette mønster understøtter idéen om udviklingsmæssig modularitet: forskellige edderkoppeøjenpar kan variere i størrelse uafhængigt af hinanden, i stedet for at ændre sig som ét samlet system .

Et ledsagende enkeltcelle-sekventeringsstudie antydede en konserveret funktion for Hedgehog-signalering i edderkoppeøjnes udvikling og viste, at en dybt konserveret udviklingsvej er involveret i at bygge edderkoppeøjne . Mere bredt set synes dyrs visuelle systemudvikling at være afhængig af konserverede retinale bestemmelsesgener og -veje, herunder ortologer af Pax6, Wnt-gener, hh, dpp og atonal i komparative øjenudviklingsmodeller .

Illustreret princip: Edderkoppeøjne udviklede sig ikke som helt nye opfindelser. Deres mangfoldighed forstås bedre som en modifikation af fælles udviklingsprogrammer, hvor konserverede øjenudviklingsveje og modulær øjenpar-evolution tillader forskellige visuelle systemer at tilpasse sig forskellige økologiske pres .

Adfærdsmæssige implikationer: Edderkoppeøjenstørrelsesstudiet forbinder øjenstørrelsesevolution med økologi og antyder, at forskelle mellem øjenpar er knyttet til, hvordan forskellige edderkopper er afhængige af syn i deres respektive nicher .

Potentielle medicinske anvendelser: De citerede edderkoppestudier etablerer ikke direkte medicinske anvendelser. Deres tydeligste relevans er for komparativ udviklingsbiologi, især hvordan konserverede veje som Hedgehog-signalering deltager i øjenudvikling på tværs af forskellige dyr .

Blinde hulefiskes hjerner: Ombygning af et dopaminkredsløb til en omvendt adfærd

Blinde mexicanske hulefisk (Astyanax mexicanus) viser en udviklet lysfremkaldt sensorimotorisk respons, der adskiller sig fra deres seende overfladeslægtninges . Ved hjælp af helhjernes funktionel billeddannelse tilpasset til et etableret Astyanax-hjerneatlas identificerede forskerne et centralt dopaminkredsløb, der ligger bag tilpasningen af denne lysfremkaldte respons . Selvom livet i huler har fjernet funktionelle øjne hos hulefisk, involverer den nye respons tilsyneladende modifikation af eksisterende neurale kredsløb snarere end opfindelsen af et helt nyt hjernesystem .

Tidligere voksen-hjerneatlas-arbejde fandt en udvidelse af thalamus og andre hjerneområder hos hulefisk, sammen med en reduktion af områder forbundet med visuel bearbejdning . Dette atlasarbejde fandt også, at nogle hypothalamuskerner er forstørrede hos hulefisk, mens andre hypothalamusregioner forbliver uændrede, hvilket indikerer regionsspecifik neuroanatomisk ændring snarere end ensartet hjerneudvidelse eller -reduktion .

Illustreret princip: Hulefisk udviklede ikke et helt nyt 'lysfølende' hjernekredsløb. De genbrugte en eksisterende dopamin-medieret vej forbundet med lysfremkaldt sensorimotorisk adfærd og justerede den til at producere et andet adfærdsmæssigt output .

Adfærdsmæssige implikationer: Adfærdsændringen viser, at evolution kan ændre outputtet af et sensorisk-responskredsløb, selv efter at billeddannende syn er gået tabt .

Potentielle medicinske anvendelser: De citerede hulefiskstudier etablerer ikke direkte kliniske anvendelser. Deres stærkeste bredere relevans er som en hvirveldyrsmodel til at studere, hvordan hjernekredsløb og neuroanatomi kan udvikle sig, kortlægges og funktionelt omkonfigureres på helhjerneskala .

Sammenfatning

Edderkoppestudiet viser evolution, der genbruger konserverede udviklingsveje og modulær øjenarkitektur for at passe til forskellige økologiske pres. Hulefiskstudiet viser evolution, der genbruger et eksisterende dopaminkredsløb for at ændre en lysfremkaldt adfærdsrespons. Begge er stærke eksempler på evolution som en genbruger, ikke en opfinder .