Członkowie kladu ślimaków Neomphalina są endemiczni dla środowisk redukcyjnych w głębokim morzu, żyjąc głównie w kominkach hydrotermalnych (wszystkie Peltospiridae), ale z niektórymi gatunkami na naturalnych złożach zatopionego drewna. Kompleksowe ramy anatomiczne przedstawione w niniejszym opracowaniu pozwalają nam rozważyć zarówno dowody na filogenetyczne pokrewieństwo Chrysomallon, jak i charakter jego szczególnych cech anatomicznych.
Zważywszy na wyjątkowość anatomii Chrysomallon podejrzewamy, że ten wysoce autapomorficzny stan jest wynikiem licznych adaptacji związanych z życiem w kwaśnym środowisku kominów hydrotermalnych. Anatomia kilku innych rodzajów w Neomphalina została szczegółowo opisana poprzez dysekcję (np. ) lub rekonstrukcję tomograficzną. Różnorodność taksonów o dobrze scharakteryzowanej anatomii obejmuje Chrysomallon i członków wszystkich trzech rodzin uznawanych obecnie w Neomphalina: w Peltospiridae głównie Rhynchopelta, Peltospira (; zawiera również krótki przegląd Nodopelta, Echinopelta, i Hirtopelta), jak również Pachydermia ; w Neomphalidae Neomphalus i Symmetromphalus ; w Melanodrymiidae Melanodrymia , Leptogyra, i Leptogyropsis (, ze wzmiankami o Xyleptogyra). Obecne badanie jest pierwszym, które uwzględnia oba te podejścia, aby objąć kompleksowy opis w całej ontogenezie postosadniczej.
Anatomia brutto Chrysomallon generalnie odpowiada planowi neomphaline . Warén i wsp. (: fig. S2C) pokazali wypustki czuciowe na końcówkach włókien skrzelowych, o których wiadomo, że są obecne u większości vetigastropoda i występują u niektórych neomphalines , choć u większości taksonów ich brak (np. Pachyermia laevis ; Lirapex ). Brak wyspecjalizowanych narządów kopulacyjnych u Chrysomallon jest zgodny z Peltospiridae; członkowie rodziny Neomphalidae mają lewą mackę głowową zmodyfikowaną jako prącie, a melanodrymiidy mają różne specjalne głowowe modyfikacje kopulacyjne . Jednak jako członek Peltospiridae, Chrysomallon jest jedynym taksonem z tej rodziny, o którym dotychczas wiadomo, że jest jednoczesnym hermafrodytą.
Anatomia porównawcza
Układ krwionośny Chrysomallon jest znacznie powiększony w porównaniu z innymi ślimakami, o czym krótko wspomnieli Warén i in. Na dysekcji, zatoki krwi i grudki materiału hemocoel są widoczną cechą w całej jamie ciała. Nie udało się znaleźć hemocelu głowotułowia pokrytego siatką lacunae, o którym pisali Warén i in., ale zatoki krwionośne są duże i najwyraźniej ruchome, ponieważ różnią się położeniem u poszczególnych osobników. Bipectinate ctenidium rozciąga się daleko za sercem do górnych okółków muszli, która jest znacznie większa w porównaniu z Peltospira o podobnym kształcie muszli i ogólnej formie, jak również z innymi peltospiridami czy melanodrymiidami. Jest on jednak podobny pod względem proporcjonalnej wielkości do Hirtopelta, która ma największy skrzel wśród dotychczas zbadanych anatomicznie rodzajów peltospiridów. Powiększone skrzela mogą być związane z filtrowaniem pokarmu (jak wykazano u neomphalidów z rodzajów Neomphalus i Symmetromphalus ), symbiotycznymi bakteriami na skrzelach (jak endosymbionty u Hirtopelta tufari Beck, 2002 lub Alviniconcha spp. provannids ) i/lub wysokim zapotrzebowaniem oddechowym. Nie ma endosymbiontów w skrzelach Chrysomallon .
Zważywszy, że Chrysomallon squamiferum jest gospodarzem endosymbiontów w gruczole przełykowym, nie ma symbiontów w lub na skrzelach i prawdopodobnie nie odżywia się przez filtr, najbardziej prawdopodobnym powodem powiększenia skrzeli jest zaspokojenie zwiększonych potrzeb oddechowych. Nakagawa i wsp. wykazali poprzez sekwencjonowanie całego genomu, że endosymbionty C. squamiferum są tioautotroficznymi gammaproteobakteriami z pełnym zestawem genów wymaganych do oddychania tlenowego i prawdopodobnie zdolnymi do przełączania się między bardziej wydajnym oddychaniem tlenowym i mniej wydajnym oddychaniem beztlenowym w zależności od dostępności tlenu. Gospodarz również wymaga tlenu do przeżycia, a powiększenie skrzeli prawdopodobnie ułatwia pozyskiwanie tlenu z warunków niskotlenowych typowych dla ekosystemów ujść hydrotermalnych. Będąc zwinięty ślimak Chrysomallon jest prawdopodobnie niezdolny do zwiększenia powierzchni oddechowej poprzez zwiększenie powierzchni płaszcza, jak widać w wielu ślimaków formy limpet .
Najbardziej wyjątkowa część układu krążenia jest niezwykle duże serce monotocardian, który ma szczególnie dobrze rozwiniętą komorę z bardzo grubych ścian mięśniowych wzmocnione przez wiązki mięśni biegnących w poprzek światła. Komora o grubej, muskularnej ścianie znana jest u Peltospiridae z Rynchopelta concentrica , ale proporcjonalna wielkość serca jest większa u Chrysomallon. U neomphalidae serce nie jest wyraźnie umięśnione (Neomphalus, ). W przeciwieństwie do Pachydermia laevis, gdzie małżowina jest większa niż komora, u Chrysomallon squamiferum komora jest nawet większa niż małżowina. Duże naczynia krwionośne grzbietowe i brzuszne do ctenidium, wraz z licznymi dużymi zatokami krwionośnymi pod skrzelami i w jamie płaszczowej oraz fakt, że gruczoł przełykowy jest silnie unaczyniony, wskazują, że olbrzymie serce służy przede wszystkim ctenidium i gruczołowi przełykowemu (również krótko odnotowane przez Warén i in. ).
Serce jest niezwykle duże jak na peltospirida (porównaj z ) lub rzeczywiście jakiekolwiek zwierzę proporcjonalnie. Serce Chrysomallon szacuje się na 4 % objętości ciała; dla porównania serce zdrowego człowieka stanowi średnio około 1,3 % objętości ciała (średnia całkowita objętość serca dorosłego człowieka 778 ml, zaczerpnięta z ; średnia objętość ciała człowieka 61,05 L, średnia dla obu płci ). Interpretujemy, że serce, a w szczególności komora mięśniowa, działa w celu wytworzenia ssania, które zasysa krew przez skrzela i w ten sposób pompuje heeomocoel do reszty układu krążenia.
Przełykowy gruczoł lub worek jest wspólną cechą w tak zwanych kladach ślimaków bazalnych, w tym Patelloidea, Vetigastropoda, Cocculiniformia, Neritimorpha i Neomphalina , ale zakres rozszerzenia widziany w Chrysomallon jest rzędy wielkości większy niż jakakolwiek inna anatomia ślimaka opisana do tej pory . U innych peltospiridów tylna część przełyku tworzy parę ślepych worków lub rynienek śródprzełykowych, sięgających tylko do przedniego końca stopy (Rynchopelta, Peltospira, Nodopelta, Echinopelta, : fig. 12; Pachydermia ; także Melanodrymia ). Gruczoł przełykowy Chrysomallon tworzy pojedynczy, obszerny, ślepy worek, który rozciąga się znacznie dalej ku tyłowi, aż do serca. Wiadomo ostatecznie, że gruczoł przełykowy jest domem dla jednego szczepu tioautotroficznych bakterii endosymbiotycznych. Nie ma innych doniesień o gruczołach przełykowych, które są silnie unaczynione i zawierające zatoki krwionośne, jak widać w Chrysomallon. Dwie rodziny ślimaków tworzących limpet, Bathyphytophilidae i Lepetellidae, z członkami zamieszkującymi chemosyntetyczne środowiska są również znane z posiadania powiększonych worków przełykowych, jednak nie w takim stopniu jak u Chrysomallon . U obu znane są endosymbiotyczne bakterie, w przypadku bathyphytophilidae najprawdopodobniej także w gruczołach przełykowych, natomiast u lepetellidae endosymbionty rozsiane są w hemocelu. Dominacja znacznie powiększonego gruczołu przełykowego, w którym znajdują się bakterie endosymbiotyczne, kontrastuje z resztą układu pokarmowego, która jest stosunkowo niewielka, co sugeruje, że endosymbionty są kluczowym źródłem składników odżywczych. Dalej wnioskujemy, że funkcja rozszerzonego układu krążenia i niezwykle wysoka objętość krwi jest istotne dla metabolizmu bakterii endosymbiontów.
Większość holobiont vent mięczaki takie jak Calyptogena, Alviniconcha i Ifremeria domu endosymbiontów w skrzelach, gdzie bakterie mogą łatwo skontaktować vent płynu przez krążenie w jamie płaszcza . W małżach Calyptogena, na przykład, bakteriocyty zawierające endosymbionty znajdują się na powierzchni włókien skrzelowych i mają chłonny koniec wystawiony na działanie jamy płaszcza. W jamie płaszczowej krąży płyn wentylacyjny zawierający siarkowodór, a endosymbionty po prostu pobierają siarczek z tego płynu. U Chrysomallon natomiast endosymbionty znajdują się w gruczole przełykowym, gdzie są odizolowane od płynu wentylacyjnego. Żywiciel odgrywa więc prawdopodobnie główną rolę w zaopatrywaniu endosymbiontów w niezbędne substancje chemiczne prowadzące do zwiększonych potrzeb oddechowych, podobnie jak to ma miejsce w trofosomach Riftia pachyptila. Aby zaopatrzyć endosymbionty w siarczki, R. pachyptila pobiera siarczki z płynu wentylacyjnego poprzez swój pióropusz i posiada specyficzne dla siarkowodoru miejsce wiążące na cząsteczce hemoglobiny we krwi, która transportuje siarczki do trofosomu; takiego specyficznego dla siarczków miejsca wiążącego brakuje w hemoglobinie Calyptogena . To samo może się dziać u Chrysomallon, a rozbudowany układ krążenia z potężnym sercem prawdopodobnie pomaga w krążeniu wystarczającej ilości tlenu lub siarkowodoru przez strumień krwi, na potrzeby gospodarza (tlen) i jego symbiotycznych bakterii (tlen i siarczek). Szczegółowe badania hemocelu C. squamiferum ujawnią dalsze informacje dotyczące jego nośników tlenu i czy posiada pigmenty oddechowe, które wiążą się z siarczkami lub alternatywne środki transportu siarczków.
Żołądek Chrysomallon jest podobny w formie do innych neomphalines, w tym rurki, które obserwowaliśmy w młodym okazie, które łączą żołądek bezpośrednio z gruczołem trawiennym (: fig. 6). Jelito jest jednak zredukowane i ma tylko jedną pętlę, w przeciwieństwie do pasących się peltospiridów, najprawdopodobniej z powodu jego żywieniowej zależności od endosymbiotycznych bakterii. Hirtopelta również ma zredukowane i wąskie jelito, ale przedstawiciele tego rodzaju utrzymują endosymbionty na swoich rozszerzonych włóknach skrzelowych, a redukcja jelita jest prawdopodobnie również wynikiem konwergencji spowodowanej zależnością od endosymbiontów w żywieniu. U filtrujących neomphalidów jelito jest również dość krótkie (Neomphalus i Symmetromphalus); skrzela tych zwierząt są również powiększone, ale nie wiadomo, czy posiadają one symbionty na włóknach skrzelowych. Melanodrimiidae są detrytożercami i mają dłuższe jelita, jak pasące się peltospiridy. Istnieje ogólna tendencja kojarząca krótkie proste jelita z poleganiem na endosymbiozie, a nie zewnętrznym odżywianiu poprzez wypas.
Zawartość jelit okazów C. squamiferum nie zawierała żadnych gruboziarnistych cząstek nieorganicznych, takich jak te powszechnie spotykane połykane razem z pokarmem przez pasące się lub żerujące na złożu peltospiridy, takie jak Rhynchopelta concentrica . Warén i in. podali drobnoziarniste siarczki z jelita C. squamiferum i zasugerowali, że prawdopodobnie pochodzą one z endosymbiontów; my również potwierdziliśmy występowanie tych siarczków. Materialna natura dominującego kredowego materiału w tylnej części jelita jest nadal niejasna. Kredowa zawartość jelita może reprezentować połknięte endosymbionty lub inne źródło pokarmu (takie jak filtrowanie), obecnie nie jest jasne, czy ten gatunek ma inne mechanizmy odżywiania.
Radula C. squamiferum jest proporcjonalnie znacznie większa u młodych osobników w porównaniu z dorosłymi. Zwierzęta mogą odżywiać się przez wypas jako młode; istnieje również przypuszczalne przesunięcie w diecie zgłaszane z Neomphalus, gdzie młode karmić przez wypas i przesunięcie do wyłącznego filtrowania karmienia w późniejszym życiu . Jednak materiał w jelitach seryjnie podzielonego młodego C. squamiferum zawierał podobny materiał do wnętrzności dorosłych, jelito przednie młodego było również puste, a gruczoł przełykowy był proporcjonalnie tak duży u młodego jak u dorosłych. Sugeruje to, że C. squamiferum prawdopodobnie polega na endosymbiontach w celu odżywiania się przez cały okres życia postlarwalnego. Endosymbionty są niezwykle podobne w swoim genomie z tylko dwiema zmianami synonimicznymi w 19 genach i 13810 pozycjach kodonów, w 32 osobnikach gospodarza. Nakagawa et al. zasugerował, że jest to wynik rygorystycznej selekcji horyzontalnie przenoszonego endosymbionta przez gospodarza.
Nie wiadomo, aby inne neomphalines miały endosymbionty umieszczone w gruczole przełykowym, chociaż wiadomo, że Hirtopelta tufari mieści endosymbionty w ctenidium (Beck, 2002) w podobnym skojarzeniu, jakie znaleziono u gatunków ślimaków prowannidowych w Alviniconcha i Ifremeria . Inny nieopisany peltospirid z antarktycznych wywierzysk w East Scotia Ridge o podobnej wielkości ciała do C. squamiferum („Peltospiroid n. sp. ESR”, ) został wykazany w analizach stabilnych izotopów jako prawdopodobnie zależny od endosymbiontów w odżywianiu.
Pojedyncze nefridium u C. squamiferum jest przesunięte na prawo od ciała, podobnie jak struktura widoczna u Hirtopelta (: fig. 15). Można to przypisać powiększonemu skrzelowi zajmującemu całą lewą stronę jamy płaszczowej, widocznemu u obu taksonów. Lewa strona ciała u C. squamiferum ma liczne obszerne zatoki krwionośne, które zajmują całą dostępną przestrzeń.
Układ układu nerwowego u C. squamiferum jest mniej złożony i powiększony w porównaniu z innymi taksonami neomphaline. Boczne zgrubienia pierścienia nerwu przełykowego, emitujące nerwy języczkowe, mogą stanowić region homologiczny do zwojów mózgowych u innych ślimaków; jednak ich położenie do przodu w stosunku do pochodzenia bocznych sznurów nerwowych utrudnia homologię pozycyjną. Zwoje mózgowe emitują sznury nerwów bocznych u mięczaków tetraneury, ale u C. squamiferum występuje duże wielokierunkowe połączenie na tylnym brzegu pierścienia nerwu przełykowego, które wydaje się reprezentować fuzję typowych zwojów mięczaków. Medullary nature of the major nerve cords and the enlarged anterior commissure (incorporating the 'cerebral’ lateral swellings) is reminiscent of the nervous system of Polyplacophora .
The single statolith in the pair of statocysts is the same condition as for all other reported instances in Neomphalina . Istnieje wyraźny nerw rozciągający się do przedniego płaszcza, pozycyjnie równoważny nerwowi rozciągającemu się do przodu od zwoju osphradialnego, szczególnie u Leptogyra . Osphradium” zostało opisane jako zlokalizowane na mięśniu muszlowym u Rhychopelta , ale na trzonie skrzeli u Pachydermia i u Chrysomallon. Ten poziom zmienności jest typowy wśród mięczaków, a funkcja (jeśli w ogóle) tych struktur jest całkowicie spekulatywna .
Pełnoczasowy stan hermafrodytyczny u C. squamiferum jest jak dotąd unikalny wśród Peltospiridae i paralelny tylko wśród Neomphalina przez Leptogyra w Melanodrymiidae (znany ostatecznie dla L. constricta Marshall, 1988 i L. patula Marshall, 1988; ). Wczesne obserwacje sugerujące oddzielne samce i samice u C. squamiferum wynikały prawdopodobnie ze zmienności względnego rozwoju obu gonad u różnych osobników. W czasie pierwszego odkrycia i opisania C. squamiferum wszystkie znane neomphalines (tj. wówczas z wyłączeniem Leptogyra) miały oddzielne płcie.
Chrysomallon squamiferum nie ma też żadnych wyspecjalizowanych narządów kopulacyjnych na głowie, co jest zgodne z innymi peltospiridami. U Melanodrymiidae, hermafrodyty Leptogyra mają prącie i dodatkowe prącie wyrastające z podstawy lewej macki głowowej. Wszystkie pozostałe trzy rodzaje Melanodrymiidae mają oddzielne płci, a samce posiadają narządy kopulacyjne. Wszystkie cztery rodzaje z rodziny Neomphalidae z dostępnymi informacjami mają oddzielne płcie i lewą mackę głowową u samców zmodyfikowaną w penisa (także Retiskenea, ale rodzinne umiejscowienie tego rodzaju jest niepewne).
Obydwie gonady u Leptogyra mają wspólny pojedynczy gonodukt z jajnikiem umieszczonym przed jądrem, a gatunek ten może być protandryczny; dla kontrastu gonady u C. squamiferum są wyraźnie obecne jednocześnie w pionowym ułożeniu, a dwa gonodukty wydają się łączyć w pojedynczy otwór genitalny. Zaobserwowaliśmy strukturę wcześniej opisywaną jako „organ wytwarzający spermatofory”; zauważamy jednak, że jest ona podobna pod względem położenia i budowy do receptora nasiennego przedstawionego u Leptogyra . Wcześniej spermatofory u Neomphalina były znane z innych taksonów z Peltospiridae (Pachydermia laevis; ), a także Melanodrymiidae (Melanodrymia; ), ale nie z Neomphalidae.
Proces selekcji prowadzący do konwergentnej ewolucji formy limpetowej od spiralnie zwiniętych przodków występował wielokrotnie wśród Gastropoda . Przejście od formy zwiniętej do formy limfatycznej ma wpływ na położenie układów narządów, w szczególności na względne położenie gonad i gruczołów trawiennych. U ślimaków gonada może być położona albo skrajnie z tyłu, blisko wierzchołka muszli (norma dla gatunków o muszli zwiniętej), albo w odwrotnym układzie, z gruczołami trawiennymi na wierzchołku i gonadami przed nim (norma dla limpet). U C. squamiferum gruczoł trawienny zajmuje wierzchołek, a gonady są przesunięte do przodu, co wcześniej przypisywano przesunięciu morfologicznemu w kierunku formy limpety. Wśród innych Peltospiridae, przednia gonada jest obserwowana u zwiniętych Peltospira i Chrysomallon, jak również u gatunków limpetotwórczych (np. Rhynchopelta, Echinopelta ); ale niektóre, takie jak Hirtopelta, mają odwrotne ułożenie (: fig. 15). Neomphalina jako klad jest niezwykle zmienna w formach muszli (: fig. 7.6). Stąd inna możliwa interpretacja jest taka, że Chrysomallon może być wtórnie zwiniętą pochodną od niedawnego przodka w postaci limpety. Niestety, pozycja gonad nie jest szczególnie informatywna dla wnioskowania filogenetycznego.
Bezkręgowce z otworów wentylacyjnych wykazują szeroki zakres cech rozrodczych, ale zwykle mają dużą zdolność do dyspersji związaną z szybkim wzrostem i ciągłym rozmnażaniem. Poszczególne pola ujść hydrotermalnych są na ogół efemeryczne i niejednolite w rozmieszczeniu, a endemiczne gatunki bezkręgowców muszą utrzymywać zdolną do życia metapopulację na wielu polach ujść, aby przetrwać i prosperować. Niejednolitość wielu siedlisk głębinowych oznacza również, że szanse na udaną kolonizację odpowiedniego siedliska przez larwy mogą być niewielkie. Przemieszczenie gonad z wierzchołka muszli do okółka ciała zapewnia większą objętość przestrzeni dla rozwoju gonad; może to być korzystne dla C. squamiferum, gdyż zwiększa płodność, a w konsekwencji szansę na pojawienie się larw w innym miejscu. Dodatkowe wnioskowanie o indeksie gonad i jakości reprodukcyjnej oraz płodności może być określone anatomicznie, choć nie podjęliśmy takiej próby w ramach obecnego badania. Przypuszcza się, że Chrysomallon squamiferum ma lecytotroficzne larwy z planktonicznym stadium dyspersji jak inne neomphalines, ale dalsze aspekty dyspersji larw, zachowania, przeżywalności i metamorfozy są jak dotąd w dużej mierze nierozwiązywalne w ekosystemach głębinowych z powodu niedostępności żywych organizmów.
Znaczenie adaptacyjne
Ta praca ilustruje, jak postrzeganie organizmu może być wzmocnione i fundamentalnie zmienione poprzez zrozumienie jego wewnętrznej anatomii. Metazoany w środowiskach ujść hydrotermalnych zależą od adaptacji morfologicznych i fizjologicznych w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych w łańcuchu pokarmowym opartym na chemoautotrofii. W tym przypadku, spekulujemy, że pochodna strategia obudowy endosymbiotycznych mikrobów w znacznie powiększonym gruczole przełykowym, stała się katalizatorem innowacji anatomicznych, które służą przede wszystkim poprawie kondycji bakterii, ponad potrzeby żywiciela metazoan.
Chrysomallon squamiferum żyje w sąsiedztwie kwaśnego i redukującego płynu wentylacyjnego z czarnych palaczy lub rozproszonego odpowietrzania, które zawierają chemikalia i substraty wymagane przez chemoautotroficzne bakterie. Chrysomallon squamiferum różni się wyraźnie od innych ślimaków głębinowych, nawet blisko spokrewnionych neomphalines. Unikalna zewnętrzna armatura twardych sklerytów skórnych, które są często biomineralizowane siarczkiem żelaza, może pomóc chronić ślimaka z płynu wentylacyjnego, tak, że jego bakterie mogą żyć blisko źródła donorów elektronów do chemosyntezy. Alternatywnie, sklerytów może wynikać z osadzania toksycznych odpadów siarczkowych z endosymbiontów, a zatem stanowią nowe rozwiązanie dla detoksykacji.
Układ pokarmowy Chrysomallon jest prosty i zredukowany, jak odżywianie jest głównie dostarczane przez endosymbionty, i może być przetwarzanie odpadów stałych być może przypadkowo spożyte. Układ krwionośny ma ogromną objętość krwi i muskularnej komory, która czerpie krew z wyrafinowanego skrzela do zasilania bakterii. Ze znacznym dodatkowym objęciem układu krwionośnego w postaci drobnych zatok krwionośnych w obrębie gruczołu przełykowego, ciśnienie krwi prawdopodobnie spada niemal do zera. Gigantyczne „serce smoka” może być zatem niezbędne do utrzymania krążenia krwi w całym organizmie, a zwłaszcza drobnych naczyń krwionośnych obsługujących gruczoł przełykowy, w którym przebywają endosymbionty. Ten ślimak nie ma mózgu, ogromny fused masa neuronowa jest bezpośrednio przylega do i przechodzi przez przełyku gruczoł, gdzie bakterie są umieszczone. Układ rozrodczy jest przesunięty ku przodowi, co być może umożliwia większą płodność. Podsumowując, to dramatyczne „smokopodobne” zwierzę stało się naczyniem nośnym dla przetrwania i rozmnażania swoich bakteryjnych endosymbiontów.