Биологи из университета штата Мэриленд выяснили, как изменения поведения и генетики привели к эволюции мексиканских слепых пещерных рыб (Astyanax fasciatus mexicanus) от своих зрячих, живших на поверхности, предков. В исследовании, опубликованном 12 августа 2010 г. в журнале «Современная биология» («Current Biology»), профессор Уильям Джеффри совместно с докторам наук Масато Йосизава и Шпелой Горицки (Špela Gorički), а также доцентом Дафной Соарес с кафедры биологии, представили данные, в которых была продемонстрирована совместная эволюция генетических и поведенческих особенностей, позволивших пещерным рыбам компенсировать отсутствие зрения, находить пищу и ориентироваться в пространстве.

В данной работе впервые обнаружена прямая связь между эволюцией, поведением и генетикой мексиканских слепых пещерных рыбок, которые считаются великолепной моделью для изучения эволюции.

Цель исследования слепых пещерных рыб
Во всем мире около 80 различных видов пещерных рыб эволюционировало из живших на поверхности рыб, однако в большинстве случаев жившие на поверхности предки исчезли. По словам профессора Джеффри, мексиканская слепая пещерная рыба является одним из редких случаев, когда зрячий предок до сих пор существует. Пещерный вид фенотипически отличается от своего зрячего родственника лишь отсутствием глаз и пигментации кожи. Присутствие предшествующих и исходных форм облегчает изучение эволюции вида.

Джеффри является ведущим специалистом в области развития и эволюционной генетики слепых пещерных рыб. Его предыдущие работы представили доказательства того, что утрата глаз слепыми пещерными рыбами является результатом естественного отбора. Они вдохновили ряд ученых на исследование представителей рода Astyanax в качестве модели для изучения утраты глаз и эволюции в целом. Данная область научного поиска может помочь разрешить проблему некоторых форм слепоты у человека, таких как макулодистрофия и катаракта. Помимо этого, в университете штата Мэриленд рассматривают возможность использования данных об обмене веществ рыбок в вопросе возникновения ожирения и диабета у человека. Оказалось, что многие мутации, обнаруженные у таких модельных организмов, как Astyanax, изучаются на тех же генах, которые ответственны за некоторые человеческие болезни. По мнению Джеффри, понимание эволюционного процесса позволяет отслеживать мутации и гены, присутствующие в популяции и, соответственно, проводить селекцию на усиление, либо ослабление их экспрессии.

На иллюстрации Astyanax fasciatus mexicanus (сверху) и слепая рыбка Astyanax fasciatus mexicanus (снизу) (илл — physorg.com/news203702762.html).

Связь между поведением, генетикой и эволюцией
Группа ученых под руководством Джеффри продемонстрировала связь генетических особенностей пещерных рыбок с адаптивным поведением, дающим им преимущества в поиске пищи в отсутствии света. Поведение, привлекаемое вибрацией (Vibration Attraction Behavior) или VAB, характеризует реакцию рыбы, когда последняя движется навстречу источнику вибраций. Партнер по исследованиям, доктор наук Масато Йосизава замерил данную поведенческую реакцию как у выловленных диких, так и у выращенных в лаборатории пещерных рыб, а также представителей, обитающих на поверхности. В качестве источника колебания использовался стержень, вибрирующий в воде на разных частотах. Большинство пещерных рыб проявляли признаки VAB, подплывали к вибрирующему стержню и тыкались в него, в то время как лишь незначительное количество рыбок, живущих на поверхности, реагировали таким же образом.

На видео пещерная рыбка Astyanax jordani  (подвид Astyanax fasciatus mexicanus) (слева) и зрячая Astyanax fasciatus mexicanus (справа) в эксперименте с использованием вибрирующего стержня (частота — 50 Гц). Слепая рыбка периодически упирается в стержень, в то время как зрячая этого не делает.

Такое поведение является выгодным с точки зрения успешности поиска пропитания в темных пещерах в отсутствии хищников, где запасы пищи ограничены. В то же время, за пределами пещер хищников огромное количество, при этом стремление двигаться навстречу источнику колебаний создает определенный риск для рыбок, живущих на поверхности.

Наиболее часто и активно пещерные рыбы реагировали на колебания частотой 35 Гц. Данная частота попадает в диапазон тех частот, на которые реагируют поверхностные нейромачты, специализированные волосковые клетки боковой линии рыб.

Чтобы подтвердить роль поверхностных нейромачт (ПН) и боковой линии, исследователи замерили степень VAB после ослабления функции ПН как у пещерных, так и у поверхностных рыб. Для этого на щечную область рыбок наносился нетоксичный клей. Затем клей удалялся с поверхности кожи вместе с волосковыми клетками, тем самым, понижалась чувствительность особей к вибрации. По словам Йосизава, весь процесс подобен эпиляции волос при помощи воска.

Лишившись чувствительности ПН, пещерные рыбы более не проявляли признаков поведения VAB, в то время как у рыб, живущих на поверхности, сколько-нибудь заметных отклонений в поведении не наблюдалось.

Группа продолжила исследование роли, которую играет количество и размер ПН в VAB. Йосизава выполнил генетическое скрещивание рыбы, живущей на поверхности, с пещерной рыбой, получив в результате гибридную особь. Так как у пещерных рыб больше и количество, и размеры ПН-клеток, у них также наибольшая вероятность проявления адаптивного поведения. В случае гибридных особей наблюдалось промежуточное количество нейромачт, поэтому они проявили промежуточный характер VAB, более выраженный, чем у зрячих рыб, но менее выраженный, чем у пещерного вида.

На основе полученных данных ученые пришли к выводу, что эволюционное повышение степени VAB, количества и размеров ПН позволили компенсировать утрату зрения, и, тем самым, способствовали более успешному поиску пищи в темноте.

Следующим этапом исследования станет идентификация гена или генов, определяющих выраженность VAB.

——
Masato Yoshizawa, Špela Gorički, Daphne Soares, William R. Jeffery. Evolution of a Behavioral Shift Mediated by Superficial Neuromasts Helps Cavefish Find Food in Darkness. Current Biology. 20 (18) : 1631-1636. 2010.
www.cell.com/current-biology/retrieve/pii/S0960982210009164