Могут ли животные, эволюция которых продолжалась миллионы лет под землей в полной изоляции от смены дня и ночи, ориентироваться во времени? Сохраняются ли стандартные циркадианные ритмы у тех живых организмов, эволюция которых проходит в постоянной темноте? Предметом описываемых далее научных исследований является именно этот основополагающий вопрос. Ответ на него ученые пытаются найти, изучая жизнь пещерных рыб, Phreatichthys andruzzii, живущих изолированно в пещерах сомалийской пустыни вот уже 2 миллиона лет.

Многие виды рыб эволюционировали в отсутствии солнечного света в системе пещер различных стран мира, при этом ряд адаптационных изменений у них поразительно схож, в том числе это относится и к утрате глаз. Новые исследования, опубликованные 6-го сентября в сети в биологическом журнале PLoS Biology в открытым доступом свидетельствуют о том, что у данной пещерной рыбки необычный циркадианный ритм, длящийся чрезвычайно долго (до 47 часов), и полностью отсутствует зрение.

Циркадианные ритмы это высоко консервативный физиологический механизм отсчета времени, который позволяет организмам заранее чувствовать и адаптироваться к смене дня и ночи. Так как этот цикл имеет период, примерно соответствующий 24 часам, очень важно, чтобы он перезапускался каждый день с помощью сигналов (например, света) для обеспечения своей синхронизации при смене дня и ночи. Молекулярные механизмы, с помощью которых свет управляет этими часами, остаются плохо изученными. Рыбы явились удобной моделью для исследования световой регуляции циркадианного ритма, потому что попадание солнечного света на любую часть их тела приводит к перезапуску данного механизма. Случай с рыбками сильно отличается, в частности, от млекопитающих, у которых свет управляет биологическими часами только косвенно, через глаза. Тем не менее, до сих пор не удалось идентифицировать специфические тканевые фоторецепторы, отвественные за переключение цикла.

Слепые пещерные рыбки Phreatichthys andruzzii (илл 1. — sciencedaily.com; илл 2 — livescience.com).

По словам Кристиано Бертолуччи, соавтора исследования, пещерные рыбы дают уникальную возможность понять, насколько глубоко солнечный свет повлиял на эволюционное развитие живых существ. Отправной точкой авторов этого исследования было сравнение циркадных ритмов утративших зрение сомалийских пещерных рыб с ритмом «обычных» рыб – данио рерио. Они изучали двигательную активность и экспрессию гена циркадных ритмов у обоих видов, когда они находились под воздействием смены дня и ночи.

Особи помещались в аквариум со световым режимом — 12/12 часов, при этом измерялась экспрессия гена, наблюдающаяся в дневные часы.

Ученые получили подтверждение постоянства циркадных ритмов у данио рерио, синхронизированных со световым циклом, у пещерных рыб, напротив, не было обнаружено никакой ритмичности. В то же время, в ходе аналогичного наблюдения, но при регулярном кормлении, выступающего в качестве временного сигнала, как у данио рерио, так и у пещерной рыбы обнаруживались суточные ритмы (около 24 и 38 часов, соответственно). Более того, Phreatichthys andruzzii реагировали сокращением суточных ритмов при повышении температуры воды.

Таким образом, исследователи пришли к выводу, что у пещерных рыб до сих пор сохранились внутренние часы, способные подстраиваться, в частности, под изменяющуюся схему кормления, но которые не могут быть перезапущены с помощью света. При более детальном рассмотрении удалось определить данные часы, суточный ход которых имеет аномально длительный период. Поразительно, но невозможность светового перезапуска связана не с отсутствием глаз, а с мутацией в двух опсинов фоторецепторов (меланопсин и TMT-опсин), приводящих к невосприимчивости тканей к свету.

По мнению Николаса Фулькеса, участника исследования, данная работа имеет большое значение для двух очень важных и интересных с научной точки зрения областей. Во-первых, она дает представление о ходе эволюционного развития животных, находящихся в полной темноте, а также об их физиологии. Не смотря на то, что проводились детальные молекулярные исследования пещерных рыб, раскрывающие механизм утраты зрения, очень мало известно о других, более общих аспектах приспособления к жизни без солнечного света. Во-вторых, работа представляет собой первое генетическое доказательство идентичности широко представленных фоторецепторов рыб.

——

Nicola Cavallari, Elena Frigato, Daniela Vallone, Nadine Fröhlich, Jose Fernando Lopez-Olmeda, Augusto Foà, Roberto Berti, Francisco Javier Sánchez-Vázquez, Cristiano Bertolucci, Nicholas S. Foulkes. A Blind Circadian Clock in Cavefish Reveals that Opsins Mediate Peripheral Clock Photoreception. PLoS Biology, 2011; 9 (9).

www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.1001142

sciencedaily.com

www.upendedblog.com/2011/10/14/lit-review-fish-clocks/