Met de toenemende voordelen van DNA-sequencing, Biologen van de Universiteit van Cincinnati ontrafelen veel evolutionaire mysteries achter de complexe wereld van spinnenvisie.

Door goed naar de mysterieuze genetische blauwdruk te kijken voor hoe deze gluurders zich ontwikkelden en functioneren, zien onderzoekers grote kansen voor toekomstig onderzoek. Nieuwe studies kunnen gentherapieën omvatten bij mensen met visuele problemen zoals maculaire degeneratie of netvlieskanker.

Om tot deze mogelijkheden te komen, wetenschappers zoals Nathan Morehouse, UC universitair docent biologie, moest 500 miljoen jaar geleden kijken naar een tijd die de Cambrische periode wordt genoemd om de evolutie van spinnenooggenen in perspectief te plaatsen.

"Wat we ontdekten, is dat we afstammen van oude aquatische geleedpotigen met een zacht lichaam zonder ogen, of in ieder geval ogen die niet goed verstarren, tot plotseling ogen die lijken op de ogen die we tegenwoordig zien bij insecten en landdieren, met in principe niets tussen deze fasen, ' zegt Morehouse.

En door "plotseling, " Morehouse heeft het over een kleine evolutionaire periode van 50 miljoen jaar.

"Maar voor het fossielenbestand, 50 miljoen jaar is een zeer korte tijd om van geen ogen naar ogen te gaan zoals we die nu hebben, " hij voegt toe.

Terwijl primitieve spinnen en insecten als twee totaal verschillende groepen aan land kwamen, ze hebben waarschijnlijk enkele van dezelfde ontwikkelingspatronen met zich meegedragen voor het bouwen van hun ogen.

"We kunnen nieuw genetisch bewijs van insecten gebruiken als startpunt voor het identificeren van belangrijke genen die de oogontwikkeling bij spinnen controleren, ", zegt Morehouse. "Dit zal spinbiologen en mensen die over het algemeen geïnteresseerd zijn in visie, prikkelen om na te denken over nieuwe manieren om een ​​beter gezichtsvermogen op te bouwen. We zijn er nog niet helemaal op het gebied van technische oplossingen voor het bouwen van organische ogen, maar hopelijk is dat in onze toekomst."

Morehouse presenteerde zijn bevindingen over de ontwikkelingsgenetica van spinnenvisie op de 2018 Society for Integrative and Comparative Biology Conference in San Francisco in januari.

Dit onderzoek maakt ook deel uit van een groter project dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift The Biologisch Bulletin , getiteld "Moleculaire evolutie van Spider Vision:nieuwe kansen, Bekende spelers, " door Morehouse; Elke Buschbeck, UC hoogleraar biologie; Daniël Zurek, postdoctoraal onderzoeker op de afdeling biologie van de UC en onderzoekers van de Universiteit van Hawaï in Manoa.

Zin in een vooruitziende blik

Deze gezamenlijke studie helpt bij het beschrijven van de fundamenten voor hoe spinnen evolueerden van een oude geleedpotige met een samengesteld oog met veel facetten - de zeshoekige lichtgevoelige eenheden waaruit een samengesteld oog bestaat - naar meerdere ogen met slechts een paar facetten.

Een van de manieren waarop ze het doen, zeggen de onderzoekers, is om een ​​aantal facetten of visuele cellen te nemen en er gewoon een lens bovenop te smelten. De andere is om een ​​enkel facet te nemen en het gewoon groter te maken en dan meer lichtgevoelige cellen eronder toe te voegen tijdens de embryonale ontwikkeling.

"We denken dat tijdens het Cambrium, meer dan 500 miljoen jaar geleden, oude geleedpotigen hadden twee grote samengestelde ogen die enigszins leken op moderne fruitvliegen, " zegt Buschbeck. "Maar op een bepaald evolutionair punt en tijd in spinnen splitste het samengestelde oog zich waarschijnlijk in een paar mediale of centrale ogen aan de voorkant en een paar laterale samengestelde ogen aan de zijkanten van het hoofd. Maar volgens het bewijs dat we hebben gevonden, ze hebben misschien het oude netwerk van genen behouden om ze te bouwen."

Hoewel bekend is dat insecten en spinnen zich tegelijkertijd tijdens het Cambrium hebben ontwikkeld, Morehouse zegt dat ze op totaal verschillende plaatsen zijn beland. Ze gebruikten dezelfde basistoolkit om hun ogen te bouwen, maar de precieze details van de genen zijn iets anders.

"Jaren van zorgvuldige ontwikkelingsgenetica hebben ons laten zien hoe fruitvliegen hun samengestelde ogen en mediale ogen - of ocelli - bouwden uit netwerken van op elkaar inwerkende genen, " zegt Morehouse. "Dus we hebben gekeken of die genen precies dezelfde rol spelen bij spinnen of dat de rollen veranderden. En in spinnen vinden we dezelfde blauwdruk nog steeds, tenminste in ruwe versie!"

Visuele blauwdruk

Dit fenomeen heeft ook een kritisch gevolg voor de miniatuur achtogige beestjes, zoals Morehouse zegt, kunnen ze niet meer fotoreceptorcellen aan hun netvlies toevoegen zodra de lens erop is geplaatst. Nadat ze de zich ontwikkelende netvliescellen van naderbij hadden bekeken, ontdekten de onderzoekers dat spinnen hun ogen bouwen als kleine embryo's, compleet met alle netvliescellen die ze ooit nodig zullen hebben en vervolgens de lens erop zetten.

Dus hoe lossen ze het probleem op van het hebben van een groot aantal netvliescellen die dicht opeengepakt zijn in een kop die een tiende zo groot is als een volwassen spin?

Het blijkt dat de dicht opeengepakte cellen meer kleine pixels hebben dan hun lens kan oplossen, wat resulteert in het vele malen bemonsteren van hetzelfde punt in de ruimte in plaats van één keer. Maar de kleine octopoden moeten misschien ongebruikelijke optische trucs uitvoeren om hun wazige zicht te verwerken. Dit is niet de "slimste" manier om een ​​oog te ontwerpen, zeggen de onderzoekers. Camera-ontwerpers proberen de resolutie van de camerasensor af te stemmen op het oplossend vermogen van de lens.

"Een van de meest fascinerende inzichten hier is dat omdat we de genetische basis begrijpen voor hoe ze deze ogen bouwen, we kunnen begrijpen waarom ze dingen doen zoals al deze netvliescellen in dit kleine dier stoppen, "zegt Morehouse. "Wat een dom idee lijkt vanuit een strikt visueel standpunt, blijkt deel uit te maken van de blauwdruk van die 500 miljoen jaar oude geleedpotige."

Er is fundamenteel onderzoek als dit nodig om de ingewikkelde genetische ontwikkeling te begrijpen, maar de onderzoekers zeggen dat het een aantal echt coole kansen biedt voor toekomstige biotechnologie.

Baby's met insectenogen

"We zouden nooit het aantal netvliescellen in deze kleine juvenielen hebben geteld als we dit niet zo vroeg hadden vermoed, " hij voegt toe.

Ondanks het nadeel van de grootte en de overbevolking van de cellen, de onderzoekers ontdekken dat de juvenielen veel van de geavanceerde dingen doen die hun grote broers kunnen doen, zoals het ontcijferen van verschillende soorten prooien, zoals een mug versus een vlieg.

Hoewel Morehouse dit onderzoek beschrijft als het beginstadium van het begrijpen van de voor- en nadelen van het bouwen van ogen op deze manier, ziet hij grote mogelijkheden om kleine visuele systemen na te bootsen om sensoren te produceren die kleiner zijn dan alle andere die tegenwoordig regelmatig worden gebruikt.

"Als we een lens moeten bouwen die klein is, kleiner dan elke sensor op dit moment en klein genoeg om gemakkelijk te worden ingeslikt als een pil voor endoscopisch werk, het is mogelijk dat deze spinnen leiden tot biotechnologieën die we ons nooit hadden kunnen voorstellen, ' zegt Morehouse.

"Deze spinnen hebben heel slimme dingen gedaan met hun lenzen, de vorm van hun netvlies en de grootte van hun netvliescellen die hen helpen ongelooflijke uitdagingen te overwinnen."

Andere verrassende bevindingen onthulden unieke patronen voor retinale celdood bij jonge spinnen. Wanneer retinale cellen afsterven, is de kans veel groter dat ze in het midden van het netvlies sterven dan in de periferie, waarvan de onderzoekers zeggen dat het precies is wat er gebeurt bij mensen met de leeftijd en het probleem met maculaire degeneratie.

"Omdat we dit soort veranderingen zien gebeuren bij springspinnen wanneer ze slechte voeding krijgen, kunnen we dingen ontdekken die ons helpen maculaire degeneratie en andere mensgerichte problemen beter te begrijpen, "zegt Morehouse en Buschbeck.

Spinnenvisie op Mars

Hoewel dit project nog steeds als basiswetenschap wordt beschouwd, Morehouse legt fundamentele wetenschap uit als alleen beperkt door de creativiteit van de natuur.

Hij wijst op de Mars Rover als een voorbeeld van het gebruik van optica die is geïnspireerd op het zien van springspinnen. Voorafgaand onderzoek onthulde hoe springspinnen een betere scherpte krijgen uit een klein visueel systeem door de sensor achter hun lens te bewegen. Dit inspireerde NASA om een ​​sensor voor de Rover te bouwen die achter zijn cameralenzen beweegt, levert nu betere beeldvorming op Mars.

"Wat we hier hebben gedaan, is informatie over de oude geschiedenis van spinnen gebruiken om te zoeken naar genen die deelnemen aan visie en we hebben ontdekt dat veel van onze opgeleide gissingen correct zijn, ", zegt Morehouse. "Er zijn genetische overeenkomsten in insecten die ook op voorspelbare manieren worden gebruikt bij spinnen. Dit opent een hele reeks nieuw werk om te begrijpen hoe spinnenvisie, hoewel uniek, kan vergelijkbaar of verschillend zijn van wat we weten uit het gezichtsvermogen van zoogdieren zoals dat van ons.

"Er zijn inderdaad inzichten die voortkomen uit werk aan fruitvliegen die de menselijke gezondheid hebben geholpen, dus het is heel goed mogelijk dat het volgende dat we leren over het menselijk gezichtsvermogen van spinnen komt."