Мексиканские тетры (Astyanax mexicanus) - рыбы, которые отправились в тёмные пещеры, не нуждались в этих энергоемких органах. Они лишились глаз разными способами - и приобрели несколько интересных черт.
Мексиканская тетра - очень необычный вид рыб. Она обитает во многих реках и озёрах Мексики и южного Техаса, где выглядит как обычная водная обитательница. Но в отличие от большинства других рыб, тетры также живут в пещерах. И там, в отсутствии света, они выглядят совершенно по-другому: они очень бледные и, что примечательно, у них нет глаз.
Всякий раз, когда популяция попадала в пещеру и выживала достаточно долго, чтобы естественный отбор сделал своё дело, глаза исчезали. «Но это не значит, что пещерные рыбы потеряли всё», - говорит генетик Джая Кришнан из Оклахомского медицинского исследовательского фонда. «Произошло также много улучшений».
Хотя исчезновение глаз продолжает увлекать биологов, в последние годы внимание переключилось на другие интригующие аспекты биологии пещерных рыб. Становится всё более очевидным, что они не только потеряли зрение, но и приобрели много адаптаций, которые помогают им процветать в пещерной среде, в том числе некоторые, которые могут содержать
ключи к лечению ожирения и диабета у людей.
Избавление от «дорогостоящих» глаз
Долгое время велись споры о том, почему были утрачены глаза. Некоторые биологи утверждали, что они просто отмерли на протяжении поколений, потому что животные, обитающие в пещерах, с нефункционирующими глазами не испытывали никаких неудобств.
Но сейчас более вероятным считается другое объяснение, говорит эволюционный физиолог Николас Ронер из Университета Мюнстера в Германии. «Глаза очень дороги с точки зрения ресурсов и энергии. Большинство людей сейчас согласны с тем, что, если глаза не нужны, то их потеря должна давать какое-то преимущество», - утверждает он.
Учёные наблюдали, что мутации в различных генах, участвующих в формировании глаз, привели к их утрате. Другими словами, говорит Кришнан, «различные популяции пещерных рыб утратили глаза разными способами».
Между тем, другие чувства рыб, как правило, усилились. Исследования показали, что пещерные рыбы могут обнаруживать более низкие уровни аминокислот, чем рыбы, обитающие на поверхности. У них также больше вкусовых рецепторов и более высокая плотность чувствительных клеток вдоль тела, что позволяет им ощущать давление и течение воды.
Области мозга, которые обрабатывают другие чувства, также расширяются, по словам биолога-разработчика Мисти Риддл из Университета Невады в Рино, соавтора статьи 2023 года об исследованиях мексиканской тетры из журнала «Annual Review of Cell and Developmental Biology». «Я думаю, что произошло следующее: чтобы расширить другие области, нужно, так сказать, убить программу развития глаз», - говорит Риддл.
Убийство процессов, которые поддерживают формирование глаза, - это буквально то, что происходит. Как и у непещерных представителей вида, у всех эмбрионов пещерных рыб сначала начинают формироваться глаза. Но через несколько часов клетки развивающегося глаза начинают умирать, пока вся структура не исчезает.
Фото: knowablemagazine.org
Риддл считает, что эта кажущаяся неэффективность может быть неизбежной. «Ранние развития мозга и глаза полностью взаимосвязаны - они происходят одновременно», - говорит она. Это означает, что наименее разрушительным способом
эволюции слепоты может быть начало формирования глаза, а затем его устранение.
В исследовании, опубликованном в 2000 году, которое Кришнан и Ронер назвали «одним из самых поразительных экспериментов, проведённых в области эволюции позвоночных», было показано, что на судьбу глаза пещерной рыбы сильно влияет её хрусталик. Учёные доказали это, пересадив хрусталик эмбриона поверхностной рыбы эмбриону пещерной рыбы и наоборот. Когда они сделали это, у глаза пещерной рыбы выросла сетчатка, палочковидные клетки и другие важные части, в то время как глаз поверхностной рыбы остался маленьким и недоразвитым.
Голодание и переедание
Легко понять, почему пещерные рыбы окажутся в невыгодном положении, если они будут поддерживать «дорогостоящие» ткани, которые они не используют. Поскольку в пещерах относительно мало жизни и роста, рыбы, вероятно, выживают на скудной диете, состоящей в основном из экскрементов
летучих мышей и органических отходов, которые смываются во время сезона дождей.
Исследователи, содержащие пещерных рыб в лабораториях, обнаружили, что генетически эти существа прекрасно приспособлены к поглощению и хранению питательных веществ. «Они постоянно голодны и едят столько, сколько могут», - говорит Кришнан.
Интересно, что у рыб есть как минимум две мутации, связанные с диабетом и ожирением у людей. Однако у пещерных рыб они могут быть основой некоторых черт, очень полезных для рыб, в распоряжении которых иногда много пищи, но часто они не имеют её вовсе.
Когда учёные сравнивают пещерных рыб и поверхностных рыб, содержащихся в лаборатории в одинаковых условиях, пещерные рыбы, которых кормят обычным количеством стандартного корма для рыб, «толстеют. У них повышается уровень сахара в крови», - говорит Ронер. «Но, что примечательно, у них не появляются явные признаки заболевания».
Жиры могут быть токсичными для тканей, объясняет Ронер, «поэтому они хранятся в жировых клетках. Но когда эти клетки становятся слишком большими, они могут лопаться, поэтому мы часто наблюдаем хроническое воспаление у людей и других животных, у которых в тканях накопилось много жира».
Однако исследование, проведённое в 2020 году Ронером, Кришнан и их коллегами, показало, что даже очень хорошо питающиеся пещерные рыбы имели меньше признаков воспаления в жировых тканях, чем рыбы, обитающие на поверхности.
«
Даже в скудных условиях пещеры дикие пещерные рыбы иногда могут становиться очень толстыми», - говорит Риддл. Вероятно, это происходит потому, что, когда в пещере появляется пища,
рыбы едят её как можно больше, поскольку в течение долгого времени больше ничего не будет. Интересно, что, по словам Риддл, их жир обычно ярко-жёлтого цвета из-за высокого содержания каротиноидов, веществ, содержащихся в моркови, о которых широко известно, что они полезны для глаз.
«Первое, что пришло нам в голову, конечно, было то, что они накапливают их, потому что у них нет глаз», - говорит Риддл. У этого вида такие предположения можно проверить: учёные могут скрестить поверхностных рыб (с глазами) и пещерных рыб (без глаз) и посмотреть, какими будут их потомки.
«Когда это было сделано», - говорит Риддл. «Исследователи не увидели связи между наличием или размером глаз и накоплением каротиноидов. У некоторых безглазых пещерных рыб жир был практически белым, что указывает на более низкий уровень каротиноидов».
Вместо этого Риддл считает, что эти каротиноиды могут быть ещё одной адаптацией для подавления воспаления, что может быть важно в дикой природе, поскольку пещерные рыбы, вероятно, переедают, когда появляется пища. Исследования Кришнан, Ронера и их коллег, опубликованные в 2020 и 2022 годах, обнаружили другие адаптации, которые, по-видимому, помогают подавлять воспаление.
Клетки пещерных рыб производят меньше определённых молекул, называемых цитокинами, которые способствуют воспалению, а также меньше активных форм кислорода - повреждающих ткани побочных продуктов метаболизма организма, уровень которых часто повышен у людей с ожирением или диабетом.
Кришнан продолжает исследовать этот вопрос, надеясь понять, как хорошо питающиеся пещерные рыбы остаются здоровыми. Ронер, тем временем, всё больше интересуется тем, как пещерные рыбы выживают не только при переедании, но и при длительных периодах голодания.
Без отходов
На более фундаментальном уровне исследователи всё ещё надеются выяснить, почему мексиканская тетра эволюционировала в пещерные формы, в то время как многие другие мексиканские речные рыбы, которые также регулярно попадают в пещеры, этого не сделали.
В мире насчитывается более 200 видов рыб, приспособленных к жизни в пещерах, но виды, которые также имеют популяции на поверхности, довольно редки. «Предположительно, в генетическом составе тетр есть что-то, что облегчает им адаптацию», - говорит Риддл.
Фото: knowablemagazine.org
Хотя пещерные рыбы в настоящее время являются хорошо зарекомендовавшими себя лабораторными животными, используемыми в исследованиях, и их легко приобрести для этих целей, сохранение их в дикой природе будет важно для защиты информации, которую они всё ещё могут предоставить человеку.
«На поверхности воды обитают сотни миллионов рыб», - говорит Ронер, но популяции пещерных рыб меньше и более уязвимы к таким факторам, как загрязнение и забор воды из пещер людьми во время засух.
Один из студентов Риддл, Дэвид Перес Герра, сейчас участвует в работе комитета по поддержке сохранения пещерных рыб. И сами исследователи тоже становятся всё более осторожными. «Ткани рыб, собранные во время последней полевой экспедиции нашей лаборатории, принесли пользу девяти разным лабораториям», - говорит Риддл. «Мы ничего не потратили зря».