Svelare il mistero dei sistemi visivi del chitone

Un team di scienziati – guidato da Rebecca Varney del Dipartimento di Ecologia, Evoluzione e Biologia Marina (EEMB) dell’UC Santa Barbara – ha scoperto che alcuni di questi robusti molluschi sfoggiano gli occhi più recentemente evoluti con una lente. Inoltre, i due tipi di occhi trovati in questo gruppo sono emersi in quattro eventi separati. I ricercatori spiegano quali fattori hanno portato a questa peculiare disposizione in un articolo pubblicato sulla rivista Scienza.

I chitoni sono un curioso gruppo di molluschi marini. Sebbene generalmente lontani dagli occhi del pubblico, hanno fatto notizia per alcune imprese straordinarie. Ad esempio, tutte le specie ricoprono i denti di magnetite, un minerale di ferro, che li rende il materiale più duro creato da un organismo vivente. E almeno una specie utilizza la santabarbaraite, un altro minerale di ferro, giustamente chiamato.

Nonostante la parentela dei chitoni con calamari, lumache e capesante, i loro occhi non si trovano sui loro corpi morbidi. Molti dei loro organi sensoriali sono invece incorporati direttamente nel loro guscio segmentato. “Non penso che ci sia nessun altro animale che integri gli occhi nella sua armatura come fa un chitone”, ha detto il coautore Daniel Speiser dell’Università della Carolina del Sud. I più numerosi di questi organi sono chiamati esteti, piccole strutture sensoriali che si trovano nello strato più esterno dei gusci di tutti i chitoni. Gli scienziati stanno ancora studiando la loro funzione, ma se rilevassero la luce, sarebbe a un livello molto rudimentale.

Gli esteti probabilmente servirono come base per i due tipi di occhi che si evolvettero in alcuni di questi animali: gli occhi a conchiglia più complessi e le macchie oculari più numerose. Gli occhi a conchiglia sono relativamente grandi e simili agli occhi umani, hanno una lente che focalizza la luce in entrata per formare un’immagine su uno strato fotosensibile nella parte posteriore. Nei chitoni però questa lente è formata dal minerale aragonite. Al contrario, gli ocelli più piccoli in alcuni chitoni funzionano più come singoli pixel, o come l’occhio composto di un insetto, formando un sensore visivo distribuito sul guscio del chitone. I chitoni aggiungono queste strutture in una nuova crescita al margine della conchiglia.

L’autore senior Todd Oakley studia come si evolvono i sistemi complessi e ha utilizzato gli occhi di chitone come esempio nelle sue lezioni come professore all’EEMB. Il coautore Speiser ha lavorato sui chitoni come parte della sua tesi di dottorato prima di unirsi al laboratorio di Oakley come ricercatore post-dottorato.

“Volevamo sapere: c’è qualcosa che possiamo identificare che sta guidando l’evoluzione in questi diversi gruppi verso gli ocelli o verso gli occhi a conchiglia?” ha detto l’autore principale Varney, uno degli attuali postdoc di Oakley.

Per iniziare, il team ha iniziato a costruire un albero genealogico dei chitoni utilizzando il DNA di esemplari conservati nella collezione globale di chitoni del coautore Doug Eernisse, che ora risiede al Museo di Storia Naturale di Santa Barbara. I coautori Johanna Cannon e Morris Aguilar hanno sviluppato gli strumenti molecolari per sondare i genomi del chitone. Varney ha poi mappato quali gruppi avevano gli ocelli e quali avevano gli occhi a conchiglia, il che ha prodotto una vera sorpresa.

Ciò che il team aveva pensato fossero due gruppi che sviluppavano ciascuno un sistema visivo diverso si sono rivelati quattro gruppi, con due coppie convergenti sulla stessa struttura. “Sapevamo che esistevano due tipi di occhi, quindi non ci aspettavamo quattro origini indipendenti”, ha detto Varney. “Il fatto che i chitoni abbiano evoluto gli occhi quattro volte, in due modi diversi, è piuttosto sorprendente per me.”

“Sembrava quasi troppo strano per essere vero”, ha aggiunto Oakley. E i gruppi che arrivarono a strutture simili non erano nemmeno quelli più strettamente imparentati tra loro. Quindi cosa potrebbe aver portato a questa curiosa configurazione?

Varney ha iniziato a studiare attentamente le differenze tra le specie in questi gruppi per vedere se riusciva a individuare qualche indizio su cosa li spingesse verso soluzioni diverse allo stesso compito. Fortunatamente per lei, il numero di fessure sul margine di ciascun segmento di conchiglia è una caratteristica utilizzata per distinguere le diverse specie di chitoni. Quindi questa informazione è ben documentata, perché è inclusa nella descrizione di ogni nuova specie.

Senza contesto, questo non significa molto, ma uno schema cominciò ad emergere. Varney ha notato che i chitoni con gli ocelli hanno molte fessure, alcune fino a 20 tacche nella sezione della testa. Al contrario, i chitoni che hanno sviluppato gli occhi a conchiglia più grandi generalmente avevano circa otto fessure in questa sezione. Ma ancora una volta, come è possibile che questa variazione abbia spinto i gruppi verso adattamenti radicalmente diversi, non una, ma due volte?

Queste tacche servono come condotto per i nervi che passano dal guscio del chitone al suo corpo. Sembra quindi che le specie con meno fessure evolvano meno occhi a conchiglia, più grandi e più complessi. Al contrario, quelli con più fessure sono stati in grado di sviluppare ocelli più numerosi, leggermente più piccoli, che sono leggermente più semplici. E anche se il numero di tacche è diagnostico per la specie, gli scienziati non sanno cosa lo determina. Quindi il numero di fessure presenti quando si svilupparono i sistemi visivi sembra aver influenzato il tipo di sistema visivo che si è evoluto.

“Qui abbiamo una dimostrazione molto chiara in un sistema naturale che l’evoluzione dipende da ciò che è accaduto prima, anche quando ciò che è accaduto prima potrebbe sembrare del tutto estraneo”, ha detto Oakley.

Il team ha deciso di spingersi oltre, utilizzando fossili per calibrare l’evoluzione del chitone nel tempo. Ciò fornirebbe loro una stima migliore di quando i quattro gruppi hanno evoluto i loro sistemi visivi dopo che i chitoni si sono separati da altri molluschi circa 450 milioni di anni fa.

Hanno scoperto che gli occhi a conchiglia dei chitoni nelle specie Toniciinae e Acanthopleurinae sono forse gli occhi a lente evoluti più recentemente, essendo comparsi durante il Cretaceo (da 150 a 100 milioni di anni fa). Occhi a conchiglia nelle specie non imparentate Schizochiton inciso evoluto nel Giurassico (da 250 a 200 Mya). Per contestualizzare, la maggior parte degli altri esempi di occhi con lenti si sono evoluti nel Cambriano, quando gli animali stavano appena iniziando a divergere in gruppi principali. Nel frattempo, gli ocelli si sono evoluti già nel Triassico (da 260 a 200 Mya) in un gruppo, e fino al Paleogene (da 75 a 25 Mya) in un altro.

Anche se alcuni di questi chitoni hanno occhi capaci di formare immagini, gli scienziati stanno ancora studiando l’entità della loro percezione visiva. In un articolo precedente, il team di Speiser ha dimostrato che il chitone sfocato dell’India occidentale può risolvere oggetti e rispondere ad essi. I loro occhi a conchiglia inviano informazioni visive per l’elaborazione in una struttura neurale a forma di anello che circonda tutto il loro corpo. Il modo in cui i nervi ottici si collegano a questo anello suggerisce che i chitoni possono localizzare un oggetto in base alla posizione degli occhi che lo individuano. Speiser ha scoperto che i chitoni possono risolvere gli oggetti con un angolo di circa sei gradi. “Quindi, anche se i chitoni hanno una vista scarsa rispetto ai nostri, sembra che ‘vedano’ davvero”, ha detto.

Questa scoperta conferma ciò che gli scienziati sperimentano lavorando con questi chitoni sul campo. “Quando raccogli i chitoni dalle rocce nell’intercotide devi avvicinarti di soppiatto alla roccia. Perché se ti vedono ti stringeranno”, ha detto Varney. “E tu puoi sederti lì con una lima per unghie e provare a staccare il chitone; perderai.”

Speiser e i suoi colleghi continuano a studiare la visione del chitone. È un po’ una sfida. Per prima cosa, “un video di un chitone e una foto di un chitone sembrano uguali”, ha scherzato Varney. E quando si tratta di esperimenti, “i chitoni non hanno davvero motivo di collaborare con te, quindi capire come chiedere a un chitone cosa sta guardando è un compito difficile.”

I membri del team intendono indagare sulle componenti genetiche di questo tipo di occhi e sulla loro provenienza. Questa ricerca richiederà di concentrarsi solo su una o due specie alla volta.

Non sempre sappiamo quale caratteristica guiderà il percorso dell’evoluzione. I cambiamenti casuali avvenuti in anticipo possono avere conseguenze inaspettate in sistemi apparentemente non correlati. “Per studiare l’evoluzione nel suo insieme è necessario, per quanto possibile, studiare questi sistemi nel loro insieme”, ha detto Varney.