Wetenschap
Bioluminescentie ontstond minstens 540 miljoen jaar geleden voor het eerst bij dieren, waardoor het oudste, gedateerde voorbeeld werd teruggedrongen
Bioluminescentie ontstond minstens 540 miljoen jaar geleden voor het eerst bij dieren in een groep ongewervelde zeedieren die octocoralen worden genoemd, volgens de resultaten van een nieuw onderzoek van wetenschappers van het Smithsonian's National Museum of Natural History.
De resultaten, gepubliceerd op 23 april in de Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences , het vorige record voor de oudste verschijning van de lichtgevende eigenschap bij dieren met bijna 300 miljoen jaar terugdringen, en op een dag wetenschappers kunnen helpen ontrafelen waarom het vermogen om licht te produceren überhaupt is ontstaan.
Bioluminescentie – het vermogen van levende wezens om licht te produceren via chemische reacties – is in de natuur minstens 94 keer onafhankelijk geëvolueerd en is betrokken bij een groot aantal gedragingen, waaronder camouflage, verkering, communicatie en jagen. Tot nu toe werd aangenomen dat de vroegst gedateerde oorsprong van bioluminescentie bij dieren ongeveer 267 miljoen jaar geleden plaatsvond in kleine zeeschaaldieren, de ostracoden.
Maar voor een eigenschap die letterlijk verhelderend is, is de oorsprong van bioluminescentie duister gebleven.
"Niemand weet precies waarom het voor het eerst in dieren is geëvolueerd", zegt Andrea Quattrini, curator van koralen van het museum en senior auteur van het onderzoek.
Maar om Quattrini en hoofdauteur Danielle DeLeo, een museumonderzoeksmedewerker en voormalig postdoctoraal onderzoeker, uiteindelijk de grotere vraag te kunnen beantwoorden waarom bioluminescentie is geëvolueerd, moesten ze weten wanneer dit vermogen voor het eerst bij dieren verscheen.
Op zoek naar de vroegste oorsprong van dit kenmerk besloten de onderzoekers terug te kijken in de evolutionaire geschiedenis van de octocoralen, een evolutionair oude en vaak bioluminescente groep dieren waartoe ook zachte koralen, zeewaaiers en zeekooien behoren.
Net als harde koralen zijn octocoralen kleine koloniale poliepen die een raamwerk afscheiden dat hun toevluchtsoord wordt, maar in tegenstelling tot hun steenachtige verwanten is die structuur meestal zacht. Octocoralen die gloeien doen dat doorgaans alleen als ze worden gestoten of op een andere manier worden verstoord, waardoor de precieze functie van hun vermogen om licht te produceren een beetje mysterieus blijft.
"We wilden de timing van de oorsprong van bioluminescentie achterhalen, en octocoralen zijn een van de oudste groepen dieren op de planeet waarvan bekend is dat ze bioluminescentie veroorzaken," zei DeLeo. "De vraag was dus wanneer ze dit vermogen ontwikkelden?"
Het is niet toevallig dat Quattrini en Catherine McFadden van Harvey Mudd College in 2022 een uiterst gedetailleerde, goed onderbouwde evolutionaire stamboom van de octocoralen hadden voltooid. Quattrini en haar medewerkers creëerden deze kaart van evolutionaire relaties, of fylogenie, met behulp van genetische gegevens van 185 soorten octocoralen. .
Met deze evolutionaire boom gebaseerd op genetisch bewijs, plaatsten DeLeo en Quattrini vervolgens twee octocorale fossielen van bekende leeftijden in de boom op basis van hun fysieke kenmerken. De wetenschappers konden de leeftijden van de fossielen en hun respectievelijke posities in de octocorale evolutionaire stamboom tot nu toe gebruiken om grofweg te achterhalen wanneer de octocorale lijnen zich splitsten om twee of meer takken te worden.
Vervolgens bracht het team de takken van de fylogenie in kaart waarin levende bioluminescente soorten voorkomen.
Nadat de evolutionaire boom was gedateerd en de takken die lichtgevende soorten bevatten werden geëtiketteerd, gebruikte het team vervolgens een reeks statistische technieken om een analyse uit te voeren die de reconstructie van de voorouderlijke staat wordt genoemd.
"Als we weten dat deze soorten octocoralen die vandaag de dag leven bioluminescent zijn, kunnen we statistieken gebruiken om af te leiden of het zeer waarschijnlijk was dat hun voorouders bioluminescent waren of niet," zei Quattrini. "Hoe meer soorten met een gemeenschappelijk kenmerk leven, hoe groter de kans dat als je teruggaat in de tijd, die voorouders waarschijnlijk ook dat kenmerk hadden."
De onderzoekers gebruikten talloze verschillende statistische methoden voor de reconstructie van hun voorouderlijke staat, maar kwamen allemaal tot hetzelfde resultaat:zo'n 540 miljoen jaar geleden was de gemeenschappelijke voorouder van alle octocoralen zeer waarschijnlijk bioluminescent. Dat is 273 miljoen jaar eerder dan de gloeiende ostracoden-schaaldieren die voorheen de titel droegen van de vroegste evolutie van bioluminescentie bij dieren.
DeLeo en Quattrini zeiden dat de duizenden levende vertegenwoordigers van de octocoralen en de relatief hoge incidentie van bioluminescentie erop wijzen dat deze eigenschap een rol heeft gespeeld in het evolutionaire succes van de groep. Hoewel dit verder de vraag oproept waar octocoralen bioluminescentie precies voor gebruiken, zeggen de onderzoekers dat het feit dat het zo lang is behouden, benadrukt hoe belangrijk deze vorm van communicatie is geworden voor hun conditie en overleving.
Nu de onderzoekers weten dat de gemeenschappelijke voorouder van alle octocoralen waarschijnlijk al het vermogen had om zijn eigen licht te produceren, zijn ze geïnteresseerd in een grondiger overzicht van welke van de meer dan 3.000 levende soorten van de groep nog steeds kunnen oplichten en welke deze eigenschap hebben verloren. . Dit zou kunnen helpen een reeks ecologische omstandigheden in kaart te brengen die correleren met het vermogen om te bioluminesceren en mogelijk de functie ervan te verhelderen.
Daartoe zei DeLeo dat zij en enkele van haar co-auteurs werken aan het creëren van een genetische test om te bepalen of een octocorale soort functionele kopieën heeft van de genen die ten grondslag liggen aan luciferase, een enzym dat betrokken is bij bioluminescentie. Voor soorten met een onbekende helderheid zou een dergelijke test onderzoekers in staat stellen om op de een of andere manier sneller en gemakkelijker een antwoord te krijgen.
Naast het werpen van licht op de oorsprong van bioluminescentie, biedt deze studie ook evolutionaire context en inzicht die de monitoring en het beheer van deze koralen vandaag de dag kunnen informeren. Octocoralen worden bedreigd door klimaatverandering en activiteiten op het gebied van de winning van hulpbronnen, met name visserij, olie- en gaswinning en lekkages, en meer recentelijk door de mijnbouw van mineralen in de zee.
Dit onderzoek ondersteunt het Ocean Science Center van het museum, dat tot doel heeft de kennis over de oceaan te bevorderen en met de wereld te delen. DeLeo en Quattrini zeiden dat er nog veel meer te leren valt voordat wetenschappers kunnen begrijpen waarom het vermogen om licht te produceren voor het eerst is geëvolueerd, en hoewel hun resultaten de oorsprong ervan diep in de evolutionaire tijd situeren, blijft de mogelijkheid bestaan dat toekomstige studies zullen ontdekken dat bioluminescentie nog ouder is. .
Bij deze studie zijn auteurs betrokken die verbonden zijn aan de Florida International University, het Monterey Bay Aquarium Research Institute, Nagoya University, Harvey Mudd College en University of California, Santa Cruz.