Con i crescenti vantaggi del sequenziamento del DNA, I biologi dell'Università di Cincinnati stanno svelando molti misteri evolutivi dietro il complesso mondo della visione del ragno.

Osservare da vicino il misterioso progetto genetico di come questi peeper si sono sviluppati e funzionano sta aiutando i ricercatori a vedere grandi opportunità per la ricerca futura. Nuovi studi potrebbero includere terapie geniche negli esseri umani con problemi visivi come la degenerazione maculare o il cancro della retina.

Per arrivare a queste possibilità scienziati come Nathan Morehouse, assistente professore di biologia alla UC, doveva guardare a 500 milioni di anni fa, a un periodo chiamato periodo Cambriano per mettere in prospettiva l'evoluzione dei geni dell'occhio di ragno.

"Quello che abbiamo scoperto è che passiamo da antichi artropodi acquatici dal corpo molle senza occhi, o almeno occhi che non si fossilizzano bene, ad occhi improvvisi che sembrano gli occhi che vediamo oggi sugli insetti e sugli animali terrestri, con praticamente nulla tra queste fasi, "dice Morehouse.

E da "improvvisamente, "Morehouse sta parlando di un piccolo periodo evolutivo di 50 milioni di anni.

"Ma per i reperti fossili, 50 milioni di anni sono un tempo molto breve per passare dall'assenza di occhi agli occhi come abbiamo oggi, " Aggiunge.

Mentre i primitivi ragni e insetti arrivarono sulla terraferma come due gruppi totalmente separati, è probabile che abbiano portato con sé alcuni degli stessi modelli di sviluppo per costruire i loro occhi.

"Possiamo usare nuove prove genetiche dagli insetti come punto di partenza per identificare importanti geni che controllano lo sviluppo degli occhi nei ragni, " dice Morehouse. "Questo entusiasmerà i biologi dei ragni e le persone generalmente interessate alla visione a pensare a nuovi modi per costruire una visione migliore. Non siamo ancora lì in termini di soluzioni ingegneristiche per la costruzione di occhi organici, ma speriamo che sia nel nostro futuro".

Morehouse ha presentato le sue scoperte sulla genetica dello sviluppo della visione dei ragni alla conferenza della Society for Integrative and Comparative Biology 2018 a San Francisco a gennaio.

Questa ricerca fa anche parte di un progetto più ampio recentemente pubblicato sulla rivista The Bollettino biologico , intitolato "Evoluzione molecolare della visione del ragno:nuove opportunità, Giocatori familiari, " di Morehouse; Elke Buschbeck, professore di biologia dell'UC; Daniel Zurek, borsista post-dottorato nel dipartimento di biologia della UC e ricercatori dell'Università delle Hawaii a Manoa.

fantasiosa lungimiranza

Questo studio collaborativo aiuta a descrivere i fondamenti di come i ragni si sono evoluti da un antico artropode con un occhio composto con molte sfaccettature - le unità sensibili alla luce di forma esagonale che compongono un occhio composto - a più occhi con poche sfaccettature.

Uno dei modi in cui lo fanno, dicono i ricercatori, è prendere un mucchio di sfaccettature o cellule visive e semplicemente fondere una lente in cima. L'altro è prendere un singolo aspetto e renderlo più grande e quindi aggiungere più cellule sensibili alla luce in basso durante lo sviluppo embrionale.

"Pensiamo che durante il periodo Cambriano, più di 500 milioni di anni fa, gli antichi artropodi avevano due grandi occhi composti in qualche modo simili ai moderni moscerini della frutta, " dice Buschbeck. "Ma ad un certo punto e in un momento evolutivo nei ragni l'occhio composto probabilmente si è diviso in un paio di occhi mediali o centrali nella parte anteriore e un paio di occhi composti laterali che si trovano ai lati della testa. Ma secondo le prove che abbiamo scoperto, potrebbero aver mantenuto l'antica rete di geni per costruirli".

Mentre è noto che insetti e ragni si sono evoluti contemporaneamente durante il periodo Cambriano, Morehouse dice che sono finiti in posti completamente diversi. Hanno usato lo stesso kit di strumenti di base per costruire i loro occhi, ma i dettagli precisi dei geni sono leggermente diversi.

"Anni di attenta genetica dello sviluppo ci hanno mostrato come i moscerini della frutta hanno costruito i loro occhi composti e gli occhi mediali, o ocelli, da reti di geni interagenti, " dice Morehouse. "Quindi abbiamo esaminato se quei geni svolgono esattamente lo stesso ruolo nei ragni o se i ruoli sono cambiati. E nei ragni troviamo ancora lo stesso progetto almeno in una copia approssimativa!"

Progetto visivo

Questo fenomeno presenta anche una conseguenza critica per le creature in miniatura a otto occhi, come dice Morehouse, non possono aggiungere più cellule fotorecettrici alla retina una volta che l'obiettivo è stato posizionato sopra. Dopo aver osservato più da vicino le cellule retiniche in via di sviluppo, i ricercatori hanno scoperto che i ragni costruiscono i loro occhi come piccoli embrioni completi di tutte le cellule retiniche di cui avranno mai bisogno e poi mettono la lente sopra.

Quindi, come risolvono il problema di avere un gran numero di cellule retiniche strettamente impacchettate in una testa delle dimensioni di un decimo di un ragno adulto?

Si scopre che le celle densamente imballate hanno più pixel piccoli di quanti la loro lente possa effettivamente risolvere, con il risultato di campionare lo stesso punto nello spazio molte volte anziché una volta. Ma i piccoli polpi potrebbero dover eseguire insoliti trucchi ottici per elaborare la loro visione sfocata. Questo non è il modo "più intelligente" per progettare un occhio, dicono i ricercatori. I progettisti di fotocamere cercano di far corrispondere la risoluzione del sensore della fotocamera al potere di risoluzione dell'obiettivo.

"Una delle intuizioni più affascinanti qui è che, poiché comprendiamo le basi genetiche di come costruiscono questi occhi, possiamo capire perché fanno cose come mettere tutte queste cellule retiniche in questo minuscolo animale, " dice Morehouse. "Quella che sembra un'idea stupida da un punto di vista strettamente visivo si rivela essere parte del progetto di quell'artropode di 500 milioni di anni".

Ci vuole una ricerca di base come questa per comprendere l'intricato sviluppo genetico, ma i ricercatori dicono che apre alcune opportunità davvero interessanti per la biotecnologia futura.

Bambini con gli occhi sbarrati

"Non avremmo mai contato il numero di cellule retiniche in questi piccoli giovani se non lo avessimo sospettato all'inizio, " Aggiunge.

Nonostante lo svantaggio dimensionale e il sovraffollamento cellulare, i ricercatori hanno scoperto che i giovani fanno molte delle cose sofisticate che i loro fratelli maggiori possono fare come decifrare tra diversi tipi di prede come una zanzara contro una mosca.

Sebbene Morehouse descriva questa ricerca come le fasi iniziali della comprensione dei vantaggi e degli svantaggi della costruzione di occhi in questo modo, vede grandi opportunità per imitare piccoli sistemi visivi per produrre sensori più piccoli di quelli di uso regolare oggi.

"Se dobbiamo costruire una lente per essere minuscola, più piccolo di qualsiasi sensore in questo momento e abbastanza piccolo da essere facilmente ingerito come una pillola per il lavoro endoscopico, è possibile che questi ragni possano portare a biotecnologie che non avremmo mai immaginato, "dice Morehouse.

"Questi ragni hanno fatto cose davvero intelligenti alle loro lenti, la forma delle loro retine e le dimensioni delle loro cellule retiniche che li aiutano a superare sfide incredibili".

Altre scoperte sorprendenti hanno rivelato modelli unici per la morte delle cellule retiniche nei giovani ragni. Quando le cellule retiniche muoiono è molto più probabile che muoiano al centro della retina che alla periferia, che secondo i ricercatori è esattamente ciò che accade negli esseri umani con l'età e il problema della degenerazione maculare.

"Poiché vediamo questo tipo di cambiamenti che avvengono nei ragni saltatori quando vengono nutriti con diete povere, potremmo scoprire cose che ci aiutano a capire meglio la degenerazione maculare e altri problemi incentrati sull'uomo, "dice Morehouse e Buschbeck.

Visione del ragno su Marte

Sebbene questo progetto sia ancora considerato una scienza di base, Morehouse spiega che la scienza di base è limitata solo dalla creatività della natura.

Indica il Mars Rover come esempio di utilizzo di ottiche ispirate alla visione del ragno saltatore. Ricerche precedenti hanno rivelato come i ragni saltatori ottengano una migliore acutezza da un piccolo sistema visivo spostando il sensore dietro l'obiettivo. Questo ha ispirato la NASA a costruire un sensore per il Rover che si muove dietro gli obiettivi della fotocamera, ora fornisce immagini migliori su Marte.

"Quello che abbiamo fatto qui è usare le informazioni sull'antica storia dei ragni per cercare i geni che partecipano alla visione e abbiamo scoperto che molte delle nostre ipotesi plausibili sono corrette, " afferma Morehouse. "Ci sono somiglianze genetiche negli insetti che vengono utilizzate in modi prevedibili anche nei ragni. Questo apre tutta una serie di nuovi lavori per capire come la visione del ragno, mentre unico, potrebbe essere simile o diverso da ciò che sappiamo dalla visione dei mammiferi come la nostra.

"In effetti ci sono intuizioni che provengono dal lavoro sui moscerini della frutta che hanno aiutato la salute umana, quindi è del tutto possibile che la prossima cosa che impariamo sulla visione umana provenga dai ragni".