Морская малиновка (Prionotus carolinus). Автор: Аник Грирсон
Морские малиновки — океанские рыбы, особенно приспособленные к донному образу жизни. Шесть похожих на ноги придатков делают их настолько искусными в беготне, рытье и поиске добычи, что другие рыбы, как правило, тусуются с ними и воруют их добычу.
Случайной встречи в 2019 году с этими странными рыбами с ногами в Морской биологической лаборатории Кейп-Кода было достаточно, чтобы вдохновить Кори Алларда на их изучение.
«Мы увидели, что у них в аквариуме есть несколько морских малиновок, и они показали их нам, потому что знают, что нам нравятся странные животные», — сказал Аллард, научный сотрудник в лаборатории Николаса Беллоно, профессора кафедры молекулярной и клеточной биологии. Лаборатория Беллоно исследует сенсорную биологию и клеточную физиологию многих морских животных, включая осьминогов, медуз и морских слизней.
«Морские малиновки — пример вида с очень необычной, очень новой чертой», — продолжил Аллард. «Мы хотели использовать их в качестве модели, чтобы спросить: «Как создать новый орган?»
Морская малиновка. Автор: Аник Грирсон, MBARI, CC BY-SA
Последующее глубокое погружение Алларда в биологию морской малиновки привело к сотрудничеству с исследователями из Стэнфорда, изучающими генетику развития рыбы, и вылилось в последовательные статьи в Current Biology, написанные в соавторстве с Беллоно и Эми Герберт и Дэвидом Кингсли из Стэнфордского университета, и другими.
Исследования дают наиболее полное понимание на сегодняшний день того, как морские малиновки используют свои ноги, какие гены контролируют появление этих ног и как эти животные могут быть использованы в качестве концептуальной основы для эволюционных адаптаций.
«Ноги» морских малинов на самом деле являются расширениями их грудных плавников, которых у них по три с каждой стороны. Аллард сначала пытался определить, являются ли ноги настоящими органами чувств, о чем ученые подозревали, но никогда не подтверждали. Он проводил эксперименты, наблюдая за тем, как морские малиновки охотятся на добычу, в ходе которых они чередуют короткие периоды плавания и «ходьбы».
Они также иногда царапают поверхность песка, чтобы найти зарытую добычу, например, мидий и других моллюсков, без визуальных подсказок. Исследователи поняли, что ноги чувствительны как к механическим, так и к химическим раздражителям. Они даже закапывали капсулы, содержащие только один химикат, и рыба могла легко их найти.
Счастливая случайность привела к еще одному случайному открытию. Они получили новую партию рыб в середине исследования, которые выглядели как оригиналы, но новые рыбы, сказал Аллард, не копали и не находили зарытую добычу или капсулы, как оригиналы. «Я думал, что это просто какие-то подделки, или, может быть, установка не сработала», — вспоминает Беллоно.
Оказалось, что исследователи приобрели другой вид морских малиновок. В своих исследованиях они в конечном итоге охарактеризовали их обоих — Prionotus carolinus, которые копают, чтобы найти зарытую добычу, и очень чувствительны к прикосновениям и химическим сигналам, и P. evolans, которые лишены этих сенсорных способностей и используют свои ноги для передвижения и зондирования, но не для рытья.
Изучая различия в ногах между двумя рыбами, они обнаружили, что у роющих видов ноги были лопатообразными и покрыты выступами, называемыми папиллами, похожими на наши вкусовые рецепторы. Ноги не роющих рыб были стержневидными и не имели папилл. Основываясь на этих различиях, исследователи пришли к выводу, что папиллы являются эволюционными субспециализациями.
Статья Алларда, описывающая эволюцию новых органов чувств морских малинов, включала анализ образцов морских малинов из Музея сравнительной зоологии для изучения морфологии ног в зависимости от вида и времени. Он обнаружил, что виды, которые роют, ограничены лишь несколькими местами, что предполагает относительно недавнюю эволюцию этой черты.
Изучение ног морских малиновок было не просто общением со странными животными (хотя это тоже было весело). Ходячие рыбы — потенциально мощный модельный организм для сравнения специализированных черт и для того, чтобы научить нас тому, как эволюция позволяет адаптироваться к очень специфическим средам.
Около 6 миллионов лет назад люди развили способность ходить прямо, отделившись от своих предков-приматов. Двуногость является определяющей чертой нашего вида, и мы знаем лишь ограниченное количество о том, как, когда и почему произошло это изменение.
Морские малиновки и их адаптация к жизни на дне океана могут дать подсказки. Например, существуют генетические факторы транскрипции, которые контролируют развитие ног морских малинов, которые также встречаются в конечностях других животных, включая людей.
Второе исследование, посвященное генетике, проводилось в лаборатории Кингсли в Стэнфорде, итальянским физиком Агнес Семинара и биологом Мод Болдуин из Института Макса Планка в Германии. Они всесторонне изучили генетические основы необычной особенности ходячей рыбы.
Исследователи использовали методы, включая транскриптомное и геномное редактирование, чтобы определить, какие факторы транскрипции генов используются в формировании и функционировании ног у морских малинов. Они также создали гибриды между двумя видами морских малиновок с различными формами ног, чтобы изучить генетическую основу этих различий.
«Эми и Кори много сделали для описания этого животного, и я думаю, что довольно редко приходится переходить от описания поведения к описанию молекул, а затем к описанию эволюционной гипотезы», — сказал Беллоно. «Я думаю, что это хороший план того, как можно поставить научный вопрос и неукоснительно следовать ему с любопытным и открытым умом».
Дополнительная информация: Эволюция новых органов чувств у рыб с ногами, Current Biology (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.014. www.cell.com/current-biology/f … 0960-9822(24)01126-6
Древние гены развития лежат в основе эволюционных новшеств у ходячих рыб, Current Biology (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.042. www.cell.com/current-biology/f … 0960-9822(24)01157-6
Информация о журнале: Current Biology
Предоставлено Гарвардским университетом
