نوشته

سیستمِ بینایی در دسته‌ای کمتر شناخته شده از نرم‌تنان، مثالی طبیعی و کمیاب از «فرگشتِ وابسته به مسیر» (Path-dependent evolution) را به‌دست می‌دهد. در این نوع دگرگونی، انشعابی حیاتی در گذشته‌ی این موجودات، آینده فرگشتی آن‌ها را تعیین کرده است. 
زیست‌شناسان همواره در این‌باره که اگر بتوانند سیر تاریخ حیات را به عقب برگردانند و فرگشت را از نو اجرا کنند چه اتفاقی خواهد افتاد، کنجکاو بوده و هستند. آیا در صورت داشتن این فرصت، گونه‌های جانداران به شیوه‌هایی کاملاً متفاوت از اکنون فرگشت می‌یابند؟ یا با بهره‌گیری از مسیرهای فرگشتی پیشین، که آن‌ها را در مسیرهای خاصی از تحول هدایت کرده، باز هم به توسعه همان نوع چشم‌ها، بال‌ها و دیگر سازگاری‌ها تمایل خواهند داشت؟ 
مقاله جدیدی که اخیراً در مجله Science منتشر شده، یک نمونه‌ی آزمایشی کمیاب و مهم برای توصیف پرسش‌های بنیادین در رابطه با نحوه درکِ درهم‌کنش‌های فرگشتی و تکوینی است. گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا (University of California, Santa Barbara) در حین بررسی فرگشت بینایی در گروهی کمتر شناخته شده از نرم‌تنان به نام کیتون‌ها (Chiton) با این نمونه روبرو شدند. آن‌ها در این گروه از جانوران کشف کردند که دو نوع چشم - چشم‌های نقطه‌ای و چشم‌های صدفی – وجود دارد، که هر کدام به شکلی مستقل و دوباره تکامل یافته‌اند. هر گونه تنها یک نوع از این دو چشم را دارا است و هرگز هر دو نوع با هم دیده نشده است. 
نکته جالب توجه اینجاست که تعیین اینکه یک گونه کدام یک از دو نوع چشم‌ را داشته باشد توسط یک ویژگیِ به ظاهر نامربوط و قدیمی‌تر اتفاق می‌افتاد و آن تعداد شکاف‌ها در زره بدنی کیتون‌ها بود. این مورد مثالی واقعی از «فرگشت وابسته به مسیر» است که در آن، تاریخچه‌ی یک گونه به طور غیرقابل بازگشت، مسیر فرگشتی آینده آن را شکل می‌دهد. مقاطع حساس و سرنوشت‌ساز در یک گونه مانند درب‌های یک‌طرفه عمل می‌کنند، برخی امکانات را باز می‌کنند و در عین حال سایر گزینه‌ها را برای همیشه مسدود می‌سازند. 
ربکا وارنی (Rebecca Varney)، یکی از محققان آزمایشگاه تاد اوکلی (Todd Oakley) در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا و نویسنده اصلی مقاله می‌گوید: «این یکی از اولین مواردی است که ما توانسته‌ایم فرگشت وابسته به مسیر را مشاهده کنیم». اگرچه فرگشت وابسته به مسیر پیش‌تر در برخی باکتری‌های پرورش ‌یافته در آزمایشگاه‌ها مشاهده شده ‌است، اما «نشان دادن این پدیده در یک محیط طبیعی واقعاً هیجان‌انگیز بود». 
لورن سامنر-رونی (Lauren Sumner-Rooney)، از مؤسسه لایبنیتس (Leibniz Institute) که سیستمِ بینایی بی‌مهرگان را برای مطالعه فرگشت و تنوع زیستی بررسی می‌کند و در این مطالعه جدید همکاری نداشته است، می‌گوید: «تأثیر تاریخچه یک صفت بر آینده آن، همواره وجود دارد. اما نکته جالب و هیجان‌انگیز در مورد این نمونه خاص، این است که به نظر می‌رسد پژوهشگران توانسته‌اند لحظه دقیقی که این انشعاب رخ می‌دهد را شناسایی کنند». 
به همین دلیل، دن-اریک نیلسون (Dan-Eric Nilsson)، بوم‌شناس بصری در دانشگاه لوند (Lund University) در سوئد که در این تحقیق مشارکت نداشته است، بیان کرده که احتمال دارد کیتون‌ها به عنوان نمونه‌ای از تکامل وابسته به مسیر، «در آینده وارد کتاب‌های درسی در زمینه فرگشت شوند». 

کیتون‌ها، نرم‌تنان کوچکی که در صخره‌های جزر و مدی و اعماق دریا زندگی می‌کنند، مانند تانک‌های کوچکی هستند که توسط هشت صفحه صدفی محافظت می‌شوند و ساختار بدن آن‌ها برای حدود 300 میلیون سال نسبتاً ثابت باقی مانده است. این صفحات صدفی، بر خلاف تصور که به نظر میرسد زره‌هایی بی‌جان باشند، به شدت با اندام‌های حسی پوشیده شده‌اند و کیتون‌ها را قادر می‌سازد تا تهدیدات احتمالی را شناسایی کنند. 
این اندام‌های حسی سه دسته هستند. همه کیتون‌ها دارای «استت» (Aesthetes) هستند. این گیرنده‌ی چند حسی قوی به کیتون‌ها اجازه می‌دهد تا هم نور و هم نشانه‌های شیمیایی و مکانیکی محیط را درک کنند. برخی از کیتون‌ها سیستم‌های بینایی مناسبی نیز دارند: یا هزاران چشم نقطه‌ای حساس به نور، یا صدها چشم صدفی پیچیده‌تر، که دارای عدسی و شبکیه برای دریافت تصاویر کلی هستند. حیواناتی که چشمان صدفی دارند می‌توانند شکارچیانی که در کمین هستند را شناسایی کنند و در واکنش به این تهدید، خود را محکم به صخره بچسبانند. 
برای درکِ اینکه چگونه این تنوعِ چشم در کیتون‌ها فرگشت یافته است، گروهی از پژوهشگران به رهبری وارنی به بررسی نحوه ارتباط صدها گونه کیتون پرداختند. آن‌ها از تکنیکی به نام «اکسوم کپچر» (Exome capture)، برای به‌دست آوردنِ توالیِ بخش‌های استراتژیک دی‌ان‌ای (DNA) از نمونه های قدیمیِ مجموعه داگ ارنیس (Doug Eernisse)، متخصص کیتون در دانشگاه ایالتی کالیفرنیا در فولرتون (California State University, Fullerton)، استفاده کردند. در مجموع، آن‌ها دی‌ان‌ای (DNA) بیش از یک صد گونه را که با دقت برای نشان دادن گستره کامل تنوع کیتون‌ها را انتخاب شده بودند را توالی‌یابی کردند و جامع‌ترین فیلوژنی (یا درخت روابط فرگشتی) را برای کیتون‌ها تا به امروز گردآوری کردند. 
پس از آن محققان انواع مختلف چشم‌ها را روی فیلوژنی (درخت روابط فرگشتی) قرار دادند. به گفته محققان، اولین گام قبل از تکامل چشم صدفی یا چشم نقطه‌ای در کیتون‌ها، افزایش تراکم «استت‌ها» روی صدف بوده است. تنها پس از آن امکان پیدایش چشم‌های پیچیده‌تر به‌وجود آمده است. چشم‌های نقطه‌ای و چشم‌های صدفی، هر کدام دو بار به صورت جداگانه در طول مسیرهای مختلف فیلوژنی فرگشت یافته‌اند که نشان دهنده دو مورد مجزا از فرگشت همگرا است. 
وارنی می‌گوید: «به طور مستقل، چشم کیتون‌ها چهار مرتبه و از طریق آن‌ها، آنچه که ما فکر می‌کنیم احتمالاً چیزی شبیه به بینایی فضایی است فرگشت یافته که واقعاً چشمگیر است. آن‌ها همچنین به طرز باورنکردنی و سریعی فرگشت یافته‌اند». به عنوان مثال، محققان تخمین زدند که در سَرده (Genus) گرمسیری «کیتون»، چشم‌های نقطه‌ای تنها در عرض هفت میلیون سال به وجود آمده‌اند، که این زمان در مقیاس کلی فرگشت بسیار ناچیز است. 
اما نتایج محققان را شگفت زده کرد. دن اسپایزر (Dan Speiser)، بوم‌شناس بصری در دانشگاه کارولینای جنوبی و یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: «من فکر می‌کردم که این یک فرگشت گام به گام به سمت پیچیدگی است؛ از استت‌ها به سمت سیستمِ چشم‌های نقطه‌ای و نهایتاً به چشم‌های صدفی که یک پیشرفتِ بسیار رضایت بخش به نظر می‌رسید. اما به جای آن مشخص شد که مسیرهای متعددی برای فرگشت بینایی وجود دارد». 
اما چرا برخی از گونه‌ها، در مسیر فرگشت، چشم‌های صدفی را به جای چشم‌های نقطه‌ای همراه خود دارند؟ طی یک سفر شش ساعته با اتوموبیل از کنفرانسی در فینیکس به سانتا باربارا، وارنی و اوکلی شروع به توضیح این فرضیه کردند که تعداد شکاف‌های موجود در صدف یک کیتون می‌تواند کلیدِ درکِ فرگشتِ بینایی کیتون‌ها باشد. 

وارنی متوجه شد که چشم‌های نقطه‌ای دو بار، به طور مستقل، در دودمان‌های کیتون با حداقل چهارده شکاف در صفحه سر، فرگشت یافته‌اند. همچنین چشم‌های صدفی نیز دو بار و باز هم به طور مستقل، در دودمان‌های دارای حداکثر ده شکاف، فرگشت یافته‌اند. او دریافت که تعداد شکاف‌ها تعیین کننده این که کدام نوع چشم می‌تواند فرگشت بیابد هستند: یک کیتون با هزاران چشم نقطه‌ای به شکاف‌های بیشتری نیاز دارد، در حالی که یک کیتون با صدها چشم صدفی به تعداد شکاف کمتری نیازمند است. به‌طور خلاصه، تعداد شکاف‌های صدف، فرگشت سیستمِ بینایی این موجودات را تعیین کرده است. 
این یافته‌ها مجموعه‌ای از سوالات جدید را به وجود می‌آورند. یکی از مواردی که محققان به طور فعال در حال بررسی آن هستند این است که چرا تعداد شکاف‌ها، نوع چشمی که می‌تواند تکامل یابد را محدود می‌کند. پاسخ به این سوال مستلزم بررسی مدارهای اعصاب بینایی و چگونگی پردازش سیگنال‌ها از صدها یا هزاران چشم است. 
سامنر-رونی خاطر نشان می‌کند که از سوی دیگر، رابطه بین نوع چشم و تعداد شکاف‌ها ممکن است نه بر اساس نیازهای بینایی، بلکه به دلیل نحوه رشد و نمو صفحات صدف در دودمان‌های مختلف باشد. صفحات صدف با گسترده‌ شدن از مرکز به سمت بیرون رشد می‌کنند و در طول عمر کیتون، با رشد لبه‌ و گسترش بیشتر، به آن چشم‌ اضافه می‌شود. سامنر-رونی می‌گوید: «قدیمی‌ترین چشم‌ها در وسط بدن حیوان قرار دارند و جدیدترین آن‌ها در لبه‌ها اضافه می‌شوند. یک کیتون ممکن است زندگی را با 10 چشم شروع کند و با 200 چشم به زندگی خود پایان دهد.» 

در نتیجه، در حین رشد، لبه‌ی صفحه صدف باید سوراخ‌هایی برای چشم‌های جدید، سوراخ‌های کوچک فراوان برای چشم‌های نقطه‌ای و یا سوراخ‌های بزرگ‌تر اما در تعداد کمتر برای چشم‌های صدفی ایجاد کند. سوراخ‌های بسیار زیاد یا بسیار بزرگ می‌تواند صدف را تا مرز شکستن تضعیف کند، بنابر این عوامل ساختاری ممکن است تعیین کنند که کدام چشم امکان بقا و فرگشت یافتن را دارد. 

هنوز چیزهای زیادی در مورد نحوه دیدن جهان توسط کیتون‌ها ناشناخته باقی مانده است، اما در این میان، نیلسون می‌گوید که چشم‌های آنان نمونه‌ مورد علاقه‎ی جدیدِ زیست‌شناسان در زمینه فرگشت وابسته به مسیر خواهد شد. او اضافه می‌کند: «نمونه‌هایی از وابستگی به مسیر مانند آنچه در این مورد شاهد آن هستیم، که به خوبی قدرت نشان دادن این روند را دارا باشند، کمیاب هستند. درحالیکه این پدیده نه تنها رایج است، بلکه شیوه مرسوم فرگشت به حساب می‌آید».