Печерні риби втратили зір 11 мільйонів років тому

Американські вчені провели масштабне дослідження геномів усіх відомих видів амбліопсидних печерних риб, які мешкають у підземних водах східної частини Сполучених Штатів. Ці маленькі безбарвні та сліпі створіння стали об'єктом унікального наукового експерименту, який дозволив не лише зрозуміти еволюційні процеси втрати зору, а й розробити новий метод датування печерних систем.

Результати дослідження, опубліковані у журналі Molecular Biology and Evolution, показали, що різні види печерних риб колонізували печерні системи незалежно один від одного та окремо розвинули схожі риси, такі як втрата очей та пігменту, адаптуючись до темного печерного середовища.

Вивчаючи генетичні мутації, які спричинили дегенерацію очей у риб, дослідники розробили своєрідний мутаційний годинник, який дозволив їм оцінити, коли кожен вид почав втрачати зір. Найдавніший вид печерних риб, озаркська печерна риба (Troglichthys rosae), почала втрачати гени, пов'язані зі зором, до 11 мільйонів років тому.

Чейз Браунстайн, студент Єльської аспірантури з факультету екології та еволюційної біології та співавтор дослідження, пояснює важливість цієї техніки: «Стародавні підземні екосистеми східної Північної Америки дуже складно датувати за допомогою традиційних геохронологічних методів датування печер, які є ненадійними за межами верхньої межі приблизно від 3 до 5 мільйонів років. Визначення віку ліній печерних риб, адаптованих до печер, дозволяє нам зробити висновок про мінімальний вік печер, які вони населяють, оскільки риби не почали б втрачати очі, живучи при яскравому денному світлі. У цьому випадку ми оцінюємо мінімальний вік деяких печер понад 11 мільйонів років».

Співавтором дослідження є Максім Поліцарпо з Інституту біологічного інтелекту Макса Планка та Базельського університету.

Для проведення дослідження науковці реконструювали калібровану за часом еволюційну схему амбліопсидів, які належать до стародавнього, бідного на види ряду прісноводних риб під назвою Percopsiformes. Вони використовували дані з викопних решток, геномні дані та високороздільні сканування всіх живих відповідних видів.

Усі види печерних риб мають схожу анатомію, включаючи подовжені тіла та сплощені черепи, а їхні тазові плавники або втрачені, або сильно зменшені. Болотна риба (Chologaster cornuta), сестринський вид печерних риб, який мешкає у каламутних поверхневих водах, також має сплощений череп, подовжене тіло та відсутність тазового плавника. Хоча вона зберігає зір та пігмент, спостерігається пом'якшення кісток навколо очей, які зникають у печерних риб. Це свідчить про те, що печерні риби еволюціонували від спільного предка, який уже був пристосований до життя у середовищі з низьким освітленням.

Щоб зрозуміти, коли печерні риби почали заселяти печери, що неможливо визначити з гілок еволюційного дерева, дослідники вивчили геноми риб, досліджуючи 88 генів, пов'язаних зі зором, на предмет мутацій. Аналіз показав, що різні лінії печерних риб мали абсолютно різні набори генетичних мутацій, пов'язаних із втратою зору. Це, за словами вчених, свідчить про те, що окремі види колонізували печери та адаптувалися до цих підземних екосистем незалежно один від одного.

Відтак дослідники розробили метод обчислення кількості поколінь, які минули з моменту, коли види печерних риб почали адаптуватися до життя в печерах, втрачаючи функціональні копії генів, пов'язаних зі зором.

Їхній аналіз показує, що адаптації до печер відбулися між 2,25 та 11,3 мільйонами років тому у озаркських печерних риб та між 342 000 та 1,70 мільйона років тому (мінімум) і 1,7−8,7 мільйона років тому (максимум) для інших ліній печерних риб. Результати підтверджують висновок про те, що принаймні чотири лінії амбліопсидів незалежно колонізували печери після еволюції від предків, що мешкали на поверхні.

Максимальний вік перевищує діапазони традиційних методів датування печер, які включають ізотопний аналіз космогенних нуклідів, що утворюються в породах та ґрунтах під дією космічних променів.

Результати також мають потенційні наслідки для здоров'я людини, каже Томас Ніар, професор екології та еволюційної біології в Єльському університеті та старший автор дослідження: «Низка мутацій, які ми бачимо в геномах печерних риб, що призводять до дегенерації очей, схожі на мутації, які спричиняють очні захворювання у людей. Існує можливість для трансляційної медицини, завдяки якій, вивчаючи цю природну систему печерних риб, ми можемо отримати уявлення про геномні механізми очних захворювань у людей».

Дослідження проводилося за участю науковців з Департаменту природних ресурсів Південної Кароліни, Американського музею природної історії, Університету штату Флорида та Паризького університету Сіте. Ця робота відкриває нові можливості для розуміння еволюційних процесів та може мати практичне застосування у медицині.