Hvad er nyt under solen? Forskere tilbyder et alternativt syn på, hvordan nye strukturer udvikler sig

Mange krebsdyr, inklusiv hummer, krabber og havmudder, har en kappelignende skal, der stikker ud fra hovedet, der kan tjene forskellige roller, såsom en lille hule til opbevaring af æg eller et beskyttende skjold til at holde gællerne fugtige.

Denne skal (skjold), som det er blevet foreslået, udviklede sig ikke fra nogen lignende struktur i krebsdyrets forfader, men dukkede op de novo (eller ud af det blå) gennem noget tilfældig co-option af generne, der også specificerer insektvinger.

I en ny undersøgelse fra Marine Biological Laboratory (MBL) giver forskningsassistent Heather Bruce og direktør Nipam Patel dog beviser for et alternativt synspunkt:Skuldskjoldet sammen med andre pladelignende strukturer i leddyr (krebsdyr, insekter, arachnider og myriapods) alle udviklet sig fra en lateral benlap i en fælles forfader.

Disse beviser understøtter deres forslag til et nyt koncept for, hvordan nye strukturer udvikler sig - et, der antyder, at de trods alt ikke er så nye. Undersøgelsen, på skjoldet af krebsdyret Daphnia, vises online i Current Biology .

"Hvordan nye strukturer opstår, er et centralt spørgsmål i evolutionen," siger Bruce. "Den fremherskende idé, kaldet genco-option, er, at gener, der fungerer i én sammenhæng, siger at lave insektvinger, ender i en ikke-relateret kontekst, hvor de laver f.eks. et skjold," siger Bruce. "Men her viser vi, at Daphnia-skjoldet ikke bare dukkede op ud af ingenting."

Snarere foreslår de, at den forfædres, pladelignende benlap, der udviklede sig til både vingen og skjoldet, sandsynligvis var til stede i forfaderen til alle levende leddyr. Men fordi vingen og skjoldet ser så anderledes ud fra denne forfædres plade og fra andre plader i naboleddets slægter, var der ingen, der indså, at de alle var det samme.

"Vi begynder at indse, at strukturer, der ikke ligner noget - vinger, skjold, tergalplader - faktisk er homologe," siger Bruce. "Det tyder på, at de har en enkelt oprindelse, der er meget ældre, end nogen ville have troet, helt tilbage i den kambriske periode for [500 millioner] år siden."

Det var der hele tiden (kryptisk vedholdenhed)

Bruce kalder sin model for, hvordan nye strukturer opstår "kryptisk persistens af serielle homologer."

"Serielle homologer er ting som hænder og fødder, eller ryghvirvlerne i vores rygsøjle, eller de mange ben, der gentager sig ned ad en tusindbens krop," siger hun. "[Gentagelserne] kan se virkelig anderledes ud, men du kan se ligheder, og de er alle bygget ved hjælp af de samme indledende genetiske veje. I nogle tilfælde vokser den fulde struktur ikke ud - du kan få et afkortet tusindbenet ben, eller den er virkelig subtil og lille. Selvom cellerne er blevet programmeret til at danne benet, vokser de faktisk ikke ud af benet."

Efter Bruces opfattelse kan disse sovende rudimenter – ben, plader osv. – vare ved i millioner af år, så længe endnu en gentagelse af strukturen stadig er til stede et andet sted i dyret. Og når tiden er inde, kan strukturen vokse ud igen og antage forskellige former i forskellige arter - en vinge i et insekt, f.eks. en skjold i et krebsdyr.

"Hvis der ikke længere er brug for en forfædres struktur, trunkerer eller reducerer naturen sandsynligvis bare det væv i stedet for at slette det fuldstændigt. Men vævet er der stadig og kan uddybes igen i senere slægter, og synes for os at være nyt," siger Bruce .

"Denne form for trunkering er sandsynligvis almindelig i evolutionen, fordi genetiske netværk er så indbyrdes afhængige," forklarer Bruce. "Hvis en genetisk vej eller væv skulle slettes, ville en anden vej eller væv blive påvirket."

"Jeg tror, ​​at kryptisk vedholdenhed kan være en forklaring på en masse 'nye' strukturer," siger Bruce.

Forfatterne trak deres konklusioner ved at analysere genekspressionsmønstre i flere leddyrarter og ved at eliminere andre hypoteser om, hvordan skjoldet kan have udviklet sig.

"Den ældgamle, fælles oprindelse af alle disse pladelignende strukturer [hos leddyr] antyder, at gennetværkene, der mønstrer disse strukturer, er meget evolverbare og plastiske. De er i stand til at generere en fantastisk mængde diversitet," siger Bruce.