Leden van de gastropode clade Neomphalina zijn endemisch aan het verminderen van milieu’s in de diepe zee, voornamelijk levend op hydrothermal vents (alle Peltospiridae), maar met sommige soorten op natuurlijke afzettingen van gezonken hout . Het uitgebreide anatomische kader dat in de huidige studie wordt gepresenteerd stelt ons in staat om zowel bewijzen voor de fylogenetische verwantschap van Chrysomallon als de aard van zijn bijzondere anatomische kenmerken te beschouwen.
Gezien het unieke karakter van de anatomie van Chrysomallon vermoeden wij dat deze zeer autapomorfe toestand het resultaat is van talrijke aanpassingen die samenhangen met het leven in de zure stroming van hydrothermale bronnen. De anatomie van verscheidene andere genera van Neomphalina is in detail beschreven door middel van dissectie (b.v. ) of tomografische reconstructie. De verscheidenheid van taxa met goed gekarakteriseerde anatomie omvat Chrysomallon en leden van alle drie families die thans in Neomphalina zijn erkend: in Peltospiridae voornamelijk Rhynchopelta, Peltospira (; omvat ook een kort overzicht van Nodopelta, Echinopelta, en Hirtopelta), alsmede Pachydermia ; in Neomphalidae Neomphalus en Symmetromphalus ; in Melanodrymiidae Melanodrymia , Leptogyra, en Leptogyropsis (, met vermeldingen van Xyleptogyra). De huidige studie is de eerste die beide benaderingen omvat om een uitgebreide beschrijving te geven over de gehele ontogenie na de vestiging.
De bruto anatomie van Chrysomallon is over het algemeen in overeenstemming met het neomphaline plan . Warén et al. (: fig. S2C) toonden sensorische bursikels op het uiteinde van de kieuw filamenten, waarvan bekend is dat ze aanwezig zijn in de meeste vetigastropoden en sommige neomphalines , hoewel de meerderheid van de taxa ze niet hebben (bijv. Pachyermia laevis ; Lirapex ). Het ontbreken van gespecialiseerde copulatieorganen bij Chrysomallon komt overeen met Peltospiridae; leden van de familie Neomphalidae hebben de linker cephalic tentakel gemodificeerd als penis en melanodrymiids hebben diverse speciale cephalic copulatory modificaties . Als lid van de Peltospiridae is Chrysomallon echter het enige taxon in die familie waarvan tot nu toe bekend is dat het een gelijktijdige hermafrodiet is.
Vergelijkende anatomie
De bloedsomloop van Chrysomallon is opvallend vergroot in vergelijking met andere buikpotigen, zoals kort werd vermeld door Warén et al. . Bij dissectie zijn de bloed sinussen en klonten van hemocoel materiaal een prominent kenmerk in de gehele lichaamsholte. Een cephalopedale hemocoel bekleed met een net van lacunes, waarvan Warén et al. melding maakten, kon niet worden gevonden, maar de bloed sinussen zijn groot en blijkbaar beweeglijk, aangezien ze van individu tot individu verschillen in positie. Het bipectinate ctenidium strekt zich uit tot ver achter het hart in de bovenste schelpschelpen, die veel groter zijn in vergelijking met Peltospira met een vergelijkbare schelpvorm en algemene vorm en met andere peltospiriden of melanodrymiiden. Hij is echter qua proportionele grootte vergelijkbaar met Hirtopelta, die de grootste kieuw heeft onder de tot dusver anatomisch onderzochte peltospiridengeslachten. Een vergrote kieuw kan geassocieerd worden met filter-feeding (zoals aangetoond bij de neomphalid geslachten Neomphalus en Symmetromphalus ), symbiotische bacteriën op de kieuw (zoals endosymbionten bij Hirtopelta tufari Beck, 2002 of Alviniconcha spp. provanniden ), en/of een hoge ademhalingsbehoefte. Er zijn geen endosymbionten in de kieuwen van Chrysomallon.
Aangezien Chrysomallon squamiferum endosymbionten heeft in de slokdarmklier, geen symbionten in of op de kieuwen heeft en waarschijnlijk niet filtert, is de meest waarschijnlijke reden voor de vergroting van de kieuwen het vervullen van verhoogde ademhalingsbehoeften. Nakagawa et al. toonden met behulp van whole-genome sequencing aan dat de endosymbionten van C. squamiferum thioautotrofe gammaproteobacteriën zijn met een volledige set genen die nodig zijn voor aërobe ademhaling, en waarschijnlijk in staat zijn om, afhankelijk van de beschikbaarheid van zuurstof, over te schakelen tussen een efficiëntere aërobe ademhaling en een minder efficiënte anaërobe ademhaling. De gastheer heeft ook zuurstof nodig om te overleven, en de vergroting van de kieuwen vergemakkelijkt waarschijnlijk ook het onttrekken van zuurstof aan zuurstofarme omstandigheden die typisch zijn voor hydrothermale vent ecosystemen. Omdat het een opgerolde slak is, is Chrysomallon waarschijnlijk niet in staat om het ademhalingsoppervlak te vergroten door het manteloppervlak te vergroten, zoals bij veel slakken in de vorm van een limpet het geval is.
Het meest uitzonderlijke deel van de bloedsomloop is het extreem grote monotocardische hart, dat een bijzonder goed ontwikkeld ventrikel heeft met zeer dikke spierwanden, versterkt door spierbundels die dwars door het lumen lopen. Een ventrikel met dikke spierwand is bekend bij Peltospiridae van Rynchopelta concentrica , maar de proportionele grootte van het hart is groter bij Chrysomallon. Bij neomphaliden is het hart niet uitgesproken gespierd (Neomphalus, ). In tegenstelling tot Pachydermia laevis, waar de oorschelp groter is dan de hartkamer, is de hartkamer bij Chrysomallon squamiferum zelfs groter dan de oorschelp. Grote bloedvaten dorsaal en ventraal van het ctenidium, samen met talrijke grote bloed sinussen onder de kieuwen en in de mantelholte en het feit dat de slokdarmklier sterk gevasculariseerd is, wijzen erop dat het reuzenhart in de eerste plaats het ctenidium en de slokdarmklier bedient (ook kort opgemerkt door Warén et al. ).
Het hart is ongewoon groot voor een peltospiride (vergelijk met ) of eigenlijk elk dier proportioneel gezien. Het hart van Chrysomallon wordt geschat op 4% van het lichaamsvolume; daarentegen is het hart van een gezonde mens gemiddeld ongeveer 1,3% van het lichaamsvolume (gemiddeld totaal hartvolume van volwassen mensen 778 ml, ontleend aan ; gemiddeld menselijk lichaamsvolume 61,05 L, gemiddelde van beide geslachten ). Wij interpreteren dat het hart, en in het bijzonder de gespierde ventrikel, functioneert om zuigkracht te creëren die bloed door de kieuwen trekt en zo de haeomocoel naar de rest van het bloedvatenstelsel pompt.
Een slokdarm klier of buidel is een gemeenschappelijk kenmerk in de zogenaamde basale gastropoden clades, met inbegrip van Patelloidea, Vetigastropoda, Cocculiniformia, Neritimorpha en Neomphalina , maar de omvang van de uitbreiding gezien in Chrysomallon is ordes van grootte groter dan elke andere gastropode anatomie beschreven tot nu toe . Bij andere peltospiriden vormt het achterste deel van de slokdarm een paar blinde midden-slokdarmzakken of -goten die zich slechts uitstrekken tot het voorste uiteinde van de voet (Rynchopelta, Peltospira, Nodopelta, Echinopelta, : fig. 12; Pachydermia ; ook Melanodrymia ). De slokdarmklier van Chrysomallon vormt één volumineuze blinde zak die zich veel verder naar achteren uitstrekt, tot aan het hart. Van de slokdarmklier is definitief bekend dat hij één enkele stam thioautotrofe endosymbiotische bacteriën huisvest. Er zijn geen andere meldingen van slokdarmklieren die sterk gevasculariseerd zijn en bloedzuilen bevatten zoals bij Chrysomallon. Twee families van gastropoden, Bathyphytophilidae en Lepetellidae, met leden die in een chemosynthetische omgeving leven, hebben ook vergrote slokdarmklieren, maar niet in dezelfde mate als Chrysomallon. Van beide is bekend dat ze endosymbiotische bacteriën huisvesten, in het geval van de bathyphytophilids waarschijnlijk ook in de slokdarmklieren, maar bij de lepetellids zijn de endosymbionten verspreid in de hemocoel . De dominantie van de sterk vergrote slokdarmklier die endosymbiotische bacteriën huisvest, staat in contrast met de rest van het spijsverteringsstelsel dat relatief klein is, wat suggereert dat de endosymbionten de belangrijkste voedingsbron zijn. We leiden verder af dat de functie van de vergrote bloedsomloop en het extreem hoge bloedvolume relevant is voor het metabolisme van de bacteriële endosymbionten.
De meeste holobiont-vent weekdieren zoals Calyptogena, Alviniconcha en Ifremeria huisvesten endosymbionten in de kieuwen waar de bacteriën gemakkelijk in contact kunnen komen met de vent-vloeistof door circulatie in de mantelholte. Bij Calyptogena clams bijvoorbeeld bevinden de bacteriocyten die de endosymbionten bevatten zich aan het oppervlak van de kieuwdraden en hebben zij een absorberend uiteinde dat blootgesteld is aan de mantelholte. In de mantelholte circuleert ontluchtingsvloeistof die waterstofsulfide bevat en de endosymbionten nemen het sulfide gewoon op uit deze vloeistof. Bij Chrysomallon echter zijn de endosymbionten gehuisvest in de slokdarmklier, waar zij geïsoleerd zijn van de ventvloeistof. De gastheer speelt dus waarschijnlijk een belangrijke rol in de bevoorrading van de endosymbionten met de nodige chemicaliën die leiden tot een verhoogde ademhalingsbehoefte, vergelijkbaar met het scenario in het trofosoom van Riftia pachyptila. Om de endosymbionten van sulfiden te voorzien, neemt R. pachyptila sulfiden op uit de ontluchtingsvloeistof via zijn pluim en heeft een specifieke bindingsplaats voor waterstofsulfiden op het hemoglobinemolecuul in het bloed dat sulfiden transporteert naar het trofosoom; een dergelijke sulfidespecifieke bindingsplaats ontbreekt in het hemoglobinemolecuul van Calyptogena. Hetzelfde is wellicht het geval bij Chrysomallon en een uitgebreid cardiovasculair systeem met een krachtig hart zal waarschijnlijk helpen om voldoende zuurstof of waterstofsulfide door de bloedstroom te laten circuleren, voor de behoeften van de gastheer (zuurstof) en zijn symbiotische bacteriën (zuurstof en sulfide). Gedetailleerd onderzoek van de hemocoel van C. squamiferum zal meer informatie opleveren over zijn zuurstofdragers en of hij ademhalingspigmenten heeft die zich binden aan sulfiden of een alternatieve wijze van sulfidetransport.
De maag van Chrysomallon is qua vorm vergelijkbaar met die van andere neomphalines, met inbegrip van de buisjes die we bij het juveniele exemplaar hebben waargenomen en die de maag rechtstreeks verbinden met de spijsverteringsklier (: fig. 6). De darm is echter gereduceerd en heeft slechts één enkele lus, in tegenstelling tot grazende peltospiriden , waarschijnlijk als gevolg van zijn voedingsafhankelijkheid van endosymbiotische bacteriën. Hirtopelta heeft ook een gereduceerde en nauwe darm, maar leden van dat genus huisvesten endosymbionten op hun vergrote kieuwfiltamenten, en de darmverkleining is waarschijnlijk ook een gevolg van convergentie door de afhankelijkheid van endosymbionten voor de voeding. Bij filterende neomphaliden is de darm ook vrij kort (Neomphalus en Symmetromphalus); de kieuwen van deze soorten zijn ook vergroot, maar het is niet bekend of zij symbionten huisvesten op de kieuwdraden. Melanodrimiidae zijn detritivoren en hebben langere ingewanden zoals grazende peltospiridae. Er is een algemene tendens om korte eenvoudige ingewanden te associëren met afhankelijkheid van endosymbiose in plaats van externe voeding door grazen.
De darminhoud van C. squamiferum specimens bevatte geen grove anorganische deeltjes zoals die gewoonlijk worden aangetroffen bij peltospiriden zoals Rhynchopelta concentrica, die zich tezamen met voedsel voeden door grazen of afzetting. Warén et al. rapporteerden fijnkorrelige sulfiden uit de darm van C. squamiferum en suggereerden dat deze waarschijnlijk afkomstig waren van de endosymbionten; ook wij bevestigden deze sulfiden. De aard van het overheersende kalkhoudende materiaal in het achterste gedeelte van de darm is nog onduidelijk. De kalkhoudende darminhoud kan staan voor opgenomen endosymbionten of een andere voedselbron (zoals filter-feeding); het is momenteel onduidelijk of deze soort andere voedingsmechanismen heeft.
De radula van C. squamiferum is bij juvenielen verhoudingsgewijs veel groter dan bij adulten. De dieren zouden zich als juveniel kunnen voeden door grazen; er is ook een vermeende verschuiving in dieet gemeld bij Neomphalus waar juvenielen zich voeden door grazen en op latere leeftijd overschakelen op uitsluitend filtreren. Het materiaal in de darmen van de in serie doorgesneden juveniele C. squamiferum bevatte echter vergelijkbaar materiaal als dat van de volwassen darmen, de voordarm van het juveniele dier was ook leeg en de slokdarmklier was bij het juveniele dier verhoudingsgewijs even groot als bij het volwassen dier. Dit suggereert dat C. squamiferum waarschijnlijk gedurende zijn hele post-larvale leven afhankelijk is van endosymbionten voor zijn voeding. De endosymbionten vertonen een opmerkelijke gelijkenis in hun genoom met slechts twee synonieme veranderingen in 19 genen en 13810 codonposities, over 32 gastheer individuen. Nakagawa et al. suggereerden dat dit het resultaat is van strenge selectie van horizontaal overgedragen endosymbionten door de gastheer.
Er zijn geen andere neomphalines bekend met endosymbionten in de slokdarmklier, hoewel van Hirtopelta tufari bekend is dat hij endosymbionten huisvest in het ctenidium (Beck, 2002) in een soortgelijke associatie als gevonden bij provannide gastropodensoorten in Alviniconcha en Ifremeria . Van een andere onbeschreven peltospiride uit Antarctische bronnen bij East Scotia Ridge van vergelijkbare lichaamsgrootte als C. squamiferum (‘Peltospiroid n. sp. ESR’, ) is door middel van stabiele isotopenanalyses aangetoond dat hij voor zijn voeding mogelijk afhankelijk is van endosymbionten.
Het enkele nefridium bij C. squamiferum is verplaatst naar de rechterzijde van het lichaam, vergelijkbaar met de structuur die bij Hirtopelta wordt gezien (: fig. 15). Dit kan te wijten zijn aan de vergrote kieuwen die de hele linkerkant van de mantelholte innemen, zoals bij beide taxa. De linkerzijde van het lichaam bij C. squamiferum heeft talrijke volumineuze bloed sinussen die alle beschikbare ruimte in beslag nemen.
De rangschikking van het zenuwstelsel bij C. squamiferum is verminderd in complexiteit en vergroot in omvang vergeleken met andere neomphaline taxa. De laterale zwellingen van de slokdarmzenuwring, die de tentaculaire zenuwen uitstralen, kunnen een homologe regio vormen voor de cerebrale ganglia bij andere gastropoden; hun voorwaartse plaatsing ten opzichte van de oorsprong van de laterale zenuwkoorden verwart echter de positionele homologie. De cerebrale ganglia komen uit de laterale zenuwkoorden bij de tetraneur van weekdieren, maar bij C. squamiferum is er een grote meerwegsverbinding aan de achterrand van de slokdarmzenuwring die een fusie lijkt te zijn van de typische ganglia van weekdieren. Het medullaire karakter van de grote zenuwstrengen en de vergrote voorste commissuur (waarin de ‘cerebrale’ laterale zwellingen zijn opgenomen) doen denken aan het zenuwstelsel van Polyplacophora.
De enkele statoliet in het paar statocysten is dezelfde toestand als bij alle andere gerapporteerde gevallen bij Neomphalina. Er is een duidelijke zenuw die zich uitstrekt naar de voorste mantel, positioneel gelijkwaardig aan de zenuw die zich naar voren uitstrekt van het osphradiale ganglion met name in Leptogyra . Het “osphradium” is beschreven als gelegen op de schaalspier bij Rhychopelta , maar op de kieuwsteel bij Pachydermia en bij Chrysomallon. Deze mate van variabiliteit is typisch voor weekdieren en de functie (zo die er al is) van deze structuren is volledig speculatief.
De gelijktijdige hermafrodietoestand bij C. squamiferum is tot dusver uniek onder de Peltospiridae en wordt onder de Neomphalina alleen geëvenaard door Leptogyra in de Melanodrymiidae (definitief bekend voor L. constricta Marshall, 1988 en L. patula Marshall, 1988; ). Vroege waarnemingen die wijzen op gescheiden mannetjes en vrouwtjes bij C. squamiferum waren waarschijnlijk een gevolg van variatie in de relatieve ontwikkeling van de twee gonaden bij verschillende individuen. Ten tijde van de eerste ontdekking en melding van C. squamiferum hadden alle bekende neomphalines (d.w.z. met uitzondering van Leptogyra) afzonderlijke geslachten.
Chrysomallon squamiferum heeft ook geen gespecialiseerde copulatieorganen op de kop, hetgeen consistent is met andere peltospiriden. Bij de Melanodrymiidae hebben de hermafrodieten van Leptogyra een penis en een hulppenis die zich uitstrekken vanaf de basis van de linker cephalische tentakel. Alle andere drie melanodrymiidae geslachten hebben gescheiden geslachten en de mannetjes hebben copulatieorganen. Alle vier de geslachten van de familie Neomphalidae waarover informatie beschikbaar is, hebben gescheiden geslachten en de linker cephalische tentakel bij de mannetjes is gemodificeerd tot penis (ook Retiskenea, maar de familiale plaatsing van dit geslacht is onzeker).
Beide gonaden bij Leptogyra delen een enkele gonoduct met de eierstok gepositioneerd vóór de testis en de soort kan protandrisch zijn ; daarentegen zijn de gonaden bij C. squamiferum duidelijk gelijktijdig aanwezig in verticale stapeling en twee gonoducten lijken samen te smelten tot een enkele genitale opening. Wij hebben de structuur waargenomen die eerder werd aangeduid als “spermatofoor producerend orgaan”; wij merken echter op dat deze qua positie en structuur lijkt op de zaadleider die bij Leptogyra is afgebeeld. Eerder waren spermatoforen in Neomphalina bekend van andere taxa in Peltospiridae (Pachydermia laevis; ) en ook Melanodrymiidae (Melanodrymia; ) maar niet van Neomphalidae.
Het selectieproces dat leidt tot de convergente evolutie van de limpet-vorm vanuit spiraalvormig opgerolde voorouders heeft zich herhaaldelijk voorgedaan onder Gastropoda . De overgang van een opgerolde vorm naar een limpet-vorm heeft gevolgen voor de posities van orgaansystemen, in het bijzonder voor de relatieve posities van gonaden en spijsverteringsklieren. Bij gastropoda kan de gonade ofwel uiterst posterieur gelegen zijn, dicht bij de apex van de schelp (de norm voor soorten met een opgerolde schelp) of in een tegenovergestelde opstelling met de spijsverteringsklieren aan de apex en de gonaden ervoor (de norm voor limpets) . Bij C. squamiferum zit de spijsverteringsklier op de apex en zijn de geslachtsklieren naar voren verplaatst, en dit is eerder toegeschreven aan een morfologische verschuiving in de richting van de limpetvorm. Bij de andere Peltospiridae wordt de voorste gonade waargenomen bij de opgerolde Peltospira en Chrysomallon, en bij de limpetvormige soorten (b.v. Rhynchopelta, Echinopelta); maar sommige, zoals Hirtopelta, hebben de tegenovergestelde rangschikking (: fig. 15). Neomphalina als clade is uiterst variabel in schelpvormen (: fig. 7.6). Een andere mogelijke interpretatie is dan ook dat Chrysomallon een secundair opgerolde afleiding is van een recente limpet-vormige voorouder. De positie van de gonnaden is, jammer genoeg, blijkbaar niet bijzonder informatief voor fylogenetische gevolgtrekkingen.
Ongewervelde ventdieren vertonen een breed scala van voortplantingskenmerken, maar neigen tot een groot verspreidingsvermogen dat gepaard gaat met snelle groei en voortdurende voortplanting. Individuele hydrothermale vent velden zijn over het algemeen efemere en fragmentarisch in distributie en vent-endemische ongewervelde soorten moeten een levensvatbare metapopulatie te handhaven over vele vent velden om te overleven en te bloeien . De fragmentatie van veel diepzeehabitats betekent ook dat de kans dat de larven met succes een geschikte habitat koloniseren gering kan zijn. Het verplaatsen van de gonaden van de opgerolde schelpentop naar de lichaamswervel biedt een groter volume aan ruimte voor de gonaden om zich te ontwikkelen; dit kan voor C. squamiferum voordelen hebben in de zin van een hogere vruchtbaarheid en daardoor een grotere kans dat de larven in een ander boorgat terechtkomen. De gonade-index, de voortplantingskwaliteit en de vruchtbaarheid zouden ook anatomisch kunnen worden bepaald, maar dat hebben we in deze studie niet geprobeerd. Chrysomallon squamiferum wordt verondersteld lecithotrofe larven te hebben met een planktonisch verspreidingsstadium zoals andere neomphalines , maar verdere aspecten van larvale verspreiding, gedrag, overleefbaarheid en metamorfose zijn tot nu toe grotendeels onuitvoerbaar in diepzee-ecosystemen vanwege de ontoegankelijkheid van de levende organismen.
Adaptieve betekenis
Deze studie illustreert hoe de perceptie van een organisme kan worden verbeterd en fundamenteel veranderd door zijn interne anatomie te begrijpen. Metazoötische organismen in een hydrothermale omgeving zijn afhankelijk van morfologische en fysiologische aanpassingen om de energetische behoeften op te lossen in een voedselketen die gebaseerd is op chemo-autotrofie. In dit geval speculeren wij dat de afgeleide strategie van huisvesting van endosymbiotische microben in een sterk vergrote slokdarmklier, de katalysator is geweest voor anatomische innovaties die in de eerste plaats dienen om de fitness van de bacteriën te verbeteren, boven de behoeften van de metazoan gastheer.
Chrysomallon squamiferum leeft naast zure en reducerende vent vloeistof van black smokers of diffuse ontluchting, die de chemische en substraten bevatten die nodig zijn voor de chemo-autotrofe bacteriën. Chrysomallon squamiferum verschilt duidelijk van andere diepzee gastropoden, zelfs van nauw verwante neomphalines. Het unieke uitwendige pantser van harde huidsclerieten, die vaak zijn gebiomineraliseerd met ijzersulfide, kan de gastropode helpen beschermen tegen de ventvloeistof, zodat de bacteriën dicht bij de bron van elektronendonoren voor de chemosynthese kunnen leven. Een andere mogelijkheid is dat de sclerieten het gevolg zijn van de afzetting van giftig sulfide-afval van de endosymbionten, en dus een nieuwe oplossing vormen voor ontgifting.
Het spijsverteringsstelsel van Chrysomallon is eenvoudig en gereduceerd, aangezien de voeding voornamelijk wordt geleverd door de endosymbionten, en mogelijk vaste afvalstoffen verwerkt die misschien per ongeluk zijn opgenomen. De bloedsomloop heeft een enorm bloedvolume en een gespierde ventrikel die bloed aanzuigt uit de uitgebreide kieuwen om de bacteriën te voeden. Door de aanzienlijke extra vertakking van de bloedsomloop in de vorm van fijne bloedsinussen in de slokdarmklier, daalt de bloeddruk waarschijnlijk tot bijna nul. Het reusachtige “drakenhart” is dus wellicht noodzakelijk om de hemocirculatie in het hele lichaam in stand te houden en in het bijzonder de fijne bloedvaten die de slokdarmklier bedienen waar de endosymbionten zijn gehuisvest. Deze gastropode heeft geen hersenen, de enorme vergroeide neurale massa grenst direct aan en loopt door de slokdarmklier waar de bacteriën zijn gehuisvest. Het voortplantingssysteem is naar voren verplaatst, wellicht om een grotere vruchtbaarheid mogelijk te maken. Kortom, dit dramatische “draakachtige” dier is een drager geworden voor de overleving en voortplanting van zijn bacteriële endosymbionten.