生物学家期待过去的微小蜘蛛和昆虫眼睛的早期遗传发展

随着DNA测序的日益优势，辛辛那提大学的生物学家们正在揭开复杂的蜘蛛视觉世界背后的许多进化神秘面纱。仔细研究这些偷窥者如何发展和运作的神秘基因蓝图，有助于研究人员看到未来研究的巨大机会。新的研究可能包括人类的基因疗法，如黄斑变性或视网膜癌等视觉问题。

为了实现这些可能性，像加州大学生物学助理教授纳森·莫尔豪斯这样的科学家不得不在5亿年前看到一个叫做寒武纪时期的蜘蛛眼基因进化的视角。

“我们发现，我们从没有眼睛的柔软的古老水生节肢动物，或者至少没有化石化的眼睛，到突然看起来像我们今天在昆虫和陆地动物身上看到的眼睛的眼睛，基本上这些阶段之间没什么，“莫尔豪斯说。

而且，“突然之间”，莫尔豪斯正在谈论一个5000万年的小型进化时期。

“但对于化石记录而言，5000万年是一个非常短的时间，从没有眼睛到眼睛，就像我们今天一样，”他补充道。

虽然原始的蜘蛛和昆虫作为两个完全独立的群体登陆陆地，但它们很可能带有一些相同的发育模式来建立他们的眼睛。

“我们可以利用昆虫的新遗传证据作为识别控制蜘蛛眼睛发育的重要基因的起点，”莫尔豪斯说。“这将激发蜘蛛生物学家和普遍对视觉感兴趣的人们思考建立更好视觉的新方法。我们在建造有机眼睛的工程解决方案方面还不够，但希望这是我们未来的事情。”

莫尔豪斯于1月份在旧金山举行的2018年综合与比较生物学会会议上介绍了他对蜘蛛视觉发育遗传学的研究结果。

这个研究也是最近发表在“生物公报”杂志上的一个更大项目的一部分，该杂志题为“蜘蛛视觉的分子进化：新机遇，熟悉的玩家”，莫尔豪斯;加州大学生物学教授Elke Buschbeck;Daniel Zurek，加州大学生物系博士后研究员和夏威夷大学马诺阿分校的研究人员。

花哨的先见之明

这项合作研究有助于描述蜘蛛如何从具有复杂眼睛的古老节肢动物进化而来的基本原理 - 具有复杂眼睛的六角形光敏单元 - 仅具有几个面的复眼。

研究人员表示，其中一种方法就是采取一堆切面或视觉细胞，并将镜头融合在一起。另一种方法是采取单个方面，然后将其做大，然后在胚胎发育期间向下添加更多光敏感细胞。

“我们认为，在寒武纪时期，超过5亿年前，古代节肢动物有两只大眼睛，与现代果蝇有些相似，”布施贝克说。“但是在蜘蛛的某些进化点和时间，复眼可能会分裂成前方的一对内侧或中央眼睛以及头部两侧的一对侧向复眼。但根据我们发现的证据，它们是可能保留了古老的基因网络来构建它们。“

虽然已知昆虫和蜘蛛在寒武纪时期同时进化，但莫尔豪斯说他们最终完全不同。他们使用相同的基本工具包来构建他们的眼睛，但基因的精确细节略有不同。

“多年的精心发育遗传学向我们展示了果蝇如何通过相互作用基因的网络构建复眼和内眼 - 或眼睛 - ”莫尔豪斯说。“因此，我们研究了这些基因是否在蜘蛛中起到了完全相同的作用，或者角色是否发生了变化。而在蜘蛛中，我们确实发现至少在粗略的副本中仍存在相同的蓝图!”

视觉蓝图

这种现象对微型八眼生物也是一个至关重要的后果，因为莫尔豪斯说，一旦将镜片放在上面，他们就无法在视网膜上添加更多的感光细胞。在仔细观察发展中的视网膜细胞后，研究人员发现，蜘蛛会在小胚胎完成所有视网膜细胞的情况下建立自己的眼睛，然后将镜片放在上面。

那么他们如何解决将大量视网膜细胞紧紧包裹在成年蜘蛛体积十分之一的头部的问题呢?

事实证明，密集的细胞具有比它们的镜片实际可以解析的像素更少的像素，导致在空间中对同一点进行多次采样而不是一次。但是这些微小的八足动物可能不得不执行不寻常的光学技巧来处理模糊的视觉。研究人员表示，这不是“最聪明”的工程方式。相机设计者试图将相机传感器的分辨率与镜头的分辨率相匹配。

“这里最令人着迷的见解之一是，因为我们了解他们如何构建这些眼睛的遗传基础，我们可以理解为什么他们会做所有这些视网膜细胞放入这种小动物的事情，”莫尔豪斯说。“从严格的视觉角度来看，这似乎是一个愚蠢的想法，结果证明是这个有5亿年历史的节肢动物的蓝图的一部分。”

这样的基础研究需要了解错综复杂的遗传发展，但研究人员表示，它为未来的生物技术开辟了一些非常酷的机会。

臭虫眼睛的婴儿

“如果我们早期没有怀疑过这种微小的青少年，我们就不会计算视网膜细胞的数量，”他补充道。

尽管体型不利和细胞过度拥挤，研究人员发现这些少年可以做他们的大兄弟可以做的许多复杂的事情，比如在像蚊子和苍蝇这样的不同种类的猎物之间进行破译。

虽然莫尔豪斯将这项研究描述为了解构建眼睛的优势和障碍的开始阶段，但他认为模仿微小视觉系统的巨大机会可以生产比当今常规使用的传感器更小的传感器。

“如果我们必须建造一个微小的镜头，比现在的任何传感器都小，并且小到足以作为内窥镜工作的药丸被吞下，这些蜘蛛有可能导致我们从未想象过的生物技术，”莫尔豪斯说。

“这些蜘蛛为他们的镜片做了一些非常聪明的事情，视网膜的形状和视网膜细胞的大小，帮助他们克服难以置信的挑战。”

其他令人惊讶的发现揭示了年轻蜘蛛中视网膜细胞死亡的独特模式。当视网膜细胞死亡时，他们更有可能死于视网膜中心而不是外周，研究人员称这正是人类年龄和黄斑变性问题所发生的事情。

“因为我们看到在喂食不良饮食时跳跃蜘蛛发生这些变化，我们可能会发现有助于我们更好地了解黄斑变性和其他以人为中心的问题，”Morehouse和Buschbeck说。

火星上的蜘蛛视觉

虽然这个项目仍然被认为是基础科学，但莫尔豪斯解释的基础科学仅限于自然的创造力。

他指出火星探测器是使用光学跳跃蜘蛛视觉灵感的一个例子。之前的研究表明，通过在镜头后面移动传感器，跳跃的蜘蛛如何通过小视觉系统获得更好的敏锐度。这激发了美国国家航空航天局为漫游者建造一个传感器，它在相机镜头后面移动，现在可以在火星上提供更好的成像效果。

“我们在这里所做的是利用有关古代蜘蛛历史的信息来寻找参与视觉的基因，我们发现许多有根据的猜测都是正确的，”莫尔豪斯说。“昆虫中存在遗传相似性，这些昆虫也以可预测的方式用于蜘蛛。这开启了一整套新的工作，以了解蜘蛛视觉，虽然独特，可能与我们从哺乳动物视觉中所知道的相似或不同，就像我们自己的。

“确实有一些见解来自果蝇的工作，这些果蝇有助于人类健康，所以我们接下来对人类视觉的了解很有可能来自蜘蛛。”