Med de ökande fördelarna med DNA-sekvensering, Biologer från University of Cincinnati avslöjar många evolutionära mysterier bakom spindelseendets komplexa värld.

Att titta närmare på den mystiska genetiska planen för hur dessa peepers utvecklades och fungerar hjälper forskare att se stora möjligheter för framtida forskning. Nya studier kan inkludera genterapier hos människor med synproblem som makuladegeneration eller retinal cancer.

För att komma till dessa möjligheter, forskare som Nathan Morehouse, UC biträdande professor i biologi, var tvungen att se till 500 miljoner år sedan till en tid som kallas den kambriska perioden för att sätta utvecklingen av spindelögongener i perspektiv.

"Vad vi hittade är att vi går från mjukkroppar gamla vattenlevande leddjur utan ögon, eller åtminstone ögon som inte fossiliserar bra, till plötsligt ögon som ser ut som ögonen som vi ser på insekter och landdjur idag, med i princip ingenting mellan dessa stadier, säger Morehouse.

Och genom att "plötsligt, "Morehouse talar om en liten evolutionär period på 50 miljoner år.

"Men för fossilregistret, 50 miljoner år är en mycket kort tid att gå från inga ögon till ögon som vi har idag, " han lägger till.

Medan primitiva spindlar och insekter kom till land som två helt separata grupper, de har sannolikt burit med sig några av samma utvecklingsmönster för att bygga upp sina ögon.

"Vi kan använda nya genetiska bevis från insekter som utgångspunkt för att identifiera viktiga gener som styr ögonutvecklingen hos spindlar, ", säger Morehouse. "Detta kommer att få spindelbiologer och folk som är allmänt intresserade av syn att tänka på nya sätt att bygga bättre syn. Vi är inte riktigt där när det gäller tekniska lösningar för att bygga organiska ögon än, men förhoppningsvis är det i vår framtid."

Morehouse presenterade sina rön om utvecklingsgenetik för spindelsyn vid 2018 Society for Integrative and Comparative Biology Conference i San Francisco i januari.

Denna forskning är också en del av ett större projekt som nyligen publicerats i tidskriften The Biologisk bulletin , med titeln "Molecular Evolution of Spider Vision:New Opportunities, Bekanta spelare, " av Morehouse; Elke Buschbeck, UC professor i biologi; Daniel Zurek, postdoktor vid UC:s biologiavdelning och forskare från University of Hawaii i Manoa.

Snygg framsynthet

Den här samarbetsstudien hjälper till att beskriva grunderna för hur spindlar utvecklades från en uråldrig leddjur med ett sammansatt öga med många facetter – de sexkantiga ljuskänsliga enheterna som utgör ett sammansatt öga – till flera ögon med bara ett fåtal facetter.

Ett av sätten de gör det, forskarna säger, är att ta ett gäng facetter eller synceller och bara smälta ihop en lins ovanpå. Den andra är att ta en enda aspekt och bara göra den större och sedan lägga till fler ljuskänsliga celler nedanför under embryonal utveckling.

"Vi tror att under den kambriska perioden, för mer än 500 miljoner år sedan, Forntida leddjur hade två stora sammansatta ögon som liknar moderna fruktflugor, " säger Buschbeck. "Men vid någon evolutionär punkt och tidpunkt i spindlar delas det sammansatta ögat sannolikt i ett par mediala eller centrala ögon framtill och ett par laterala sammansatta ögon som finns på sidorna av huvudet. Men enligt bevisen vi avslöjade, de kan ha behållit det gamla nätverket av gener för att bygga dem."

Medan insekter och spindlar är kända för att ha utvecklats samtidigt under den kambriska perioden, Morehouse säger att de hamnade på helt olika platser. De använde samma grundläggande verktygssats för att bygga sina ögon men de exakta detaljerna i generna är något annorlunda.

"År av noggrann utvecklingsgenetik har visat oss hur fruktflugor byggde sina sammansatta ögon och mediala ögon - eller ocelli - från nätverk av interagerande gener, " säger Morehouse. "Så vi tittade på om de generna spelar exakt samma roll i spindlar eller om rollerna förändrades. Och hos spindlar hittar vi samma ritning kvar, åtminstone i grov kopia!"

Visuell ritning

Detta fenomen ger också en kritisk konsekvens för de åttaögda miniatyrdjuren, som Morehouse säger att de inte kan lägga till fler fotoreceptorceller till sin näthinna när linsen väl är placerad ovanpå. Efter att ha tittat närmare på de utvecklande retinala cellerna fann forskarna att spindlar bygger sina ögon som små embryon kompletta med alla retinala celler de någonsin kommer att behöva och sedan satte linsen ovanpå.

Så hur löser de problemet med att ha ett stort antal retinala celler tätt packade i ett huvud som är en tiondel av storleken på en vuxen spindel?

Det visar sig att de tätt packade cellerna har fler små pixlar än vad deras lins faktiskt kan lösa, vilket resulterar i att samma punkt i rymden tas flera gånger istället för en gång. Men de små bläckfiskarna kan behöva utföra ovanliga optiska knep för att bearbeta sin suddiga syn. Det här är inte det "smartaste" sättet att konstruera ett öga, säger forskarna. Kameradesigners försöker matcha kamerasensorns upplösning till objektivets upplösningsförmåga.

"En av de mest fascinerande insikterna här är att eftersom vi förstår den genetiska grunden för hur de bygger dessa ögon kan vi förstå varför de gör saker som att placera alla dessa retinala celler i detta lilla djur, " säger Morehouse. "Det som framstår som en dum idé ur en strikt visuell synvinkel visar sig vara en del av ritningen från den 500 miljoner år gamla leddjuren."

Det krävs grundforskning som denna för att förstå den invecklade genetiska utvecklingen, men forskarna säger att det öppnar upp för några riktigt coola möjligheter för framtida bioteknik.

Buggögda bebisar

"Vi skulle aldrig ha räknat antalet retinala celler i dessa små ungdomar om vi inte hade misstänkt detta tidigt, " han lägger till.

Trots storleksnackdelen och överfulla celler, forskarna upptäcker att ungdomarna gör många av de sofistikerade saker som deras storebröder kan göra, som att dechiffrera mellan olika sorters byten som en mygga mot en fluga.

Medan Morehouse beskriver denna forskning som början på att förstå fördelarna och nackdelarna med att bygga ögon på detta sätt ser han stora möjligheter att efterlikna små visuella system för att producera sensorer som är mindre än någon annan som används regelbundet idag.

"Om vi ​​måste bygga en lins för att vara liten, mindre än någon sensor just nu och tillräckligt liten för att lätt kunna sväljas som ett piller för endoskopiskt arbete, det är möjligt att dessa spindlar kan leda till bioteknik som vi aldrig har föreställt oss, säger Morehouse.

"De här spindlarna har gjort några riktigt smarta saker med sina linser, formen på deras näthinnor och storleken på deras retinala celler som hjälper dem att övervinna otroliga utmaningar."

Andra överraskande fynd avslöjade unika mönster för retinal celldöd hos unga spindlar. När retinala celler dör är det mycket mer sannolikt att de dör i mitten av näthinnan än i periferin, vilket forskarna säger är exakt vad som händer hos människor med åldern och problemet med makuladegeneration.

"Eftersom vi ser den här typen av förändringar som sker hos hoppande spindlar när vi får dålig kost, kan vi upptäcka saker som hjälper oss att bättre förstå makuladegeneration och andra mänskligt centrerade problem, säger Morehouse och Buschbeck.

Spindelvision på Mars

Även om detta projekt fortfarande anses vara grundläggande vetenskap, Morehouse förklarar grundläggande vetenskap som begränsad endast av naturens kreativitet.

Han pekar på Mars Rover som ett exempel på att använda optik som inspirerats av hoppande spindelsyn. Tidigare forskning avslöjade hur hoppande spindlar uppnår bättre skärpa ur ett litet synsystem genom att flytta sensorn bakom linsen. Detta inspirerade NASA att bygga en sensor för Rover som rör sig bakom sina kameralinser, ger nu bättre bild på Mars.

"Vad vi har gjort här är att använda information om spindlarnas uråldriga historia för att leta efter gener som deltar i synen och vi har funnit att många av våra utbildade gissningar är korrekta, " säger Morehouse. "Det finns genetiska likheter i insekter som också används på förutsägbara sätt i spindlar. Detta öppnar en hel uppsättning nya arbeten för att förstå hur spindelsyn, samtidigt som det är unikt, kan likna eller annorlunda än vad vi känner från däggdjurssyn som vår egen.

"Det finns faktiskt insikter som kommer från arbete med fruktflugor som har hjälpt människors hälsa så det är mycket möjligt att nästa sak vi lär oss om mänskligt syn kommer från spindlar."