Представьте, что вы живете в вечной тьме в чужом мире, где вы должны быстро находить пищу на ощупь или голодать месяцами.
Известняковые пещеры мексиканского тропического леса Сьерра-дель-Абра-Танчипа содержат глубокие цистерны, окутанные абсолютной чернотой. Именно сюда отправились исследователи из Университета Цинциннати, чтобы найти маленькую рыбку (Astyanax mexicanus), которая эволюционировала, чтобы пировать или переносить голод, погребенная в сотнях футов под землей.
«Они смогли вторгнуться в эту действительно экстремальную среду. Они подвергаются воздействию тьмы всю свою жизнь, но они могут выжить и процветать», - сказала Аманда Пауэрс, аспирант Калифорнийского университета и ведущий автор исследования. о слепых пещерных рыбах, опубликованных в мае в журнале PLOS One.
"У них произошли изменения в их метаболизме и строении черепа. Они улучшили свои сенсорные системы. И они могут выжить в среде, в которой могут выжить немногие животные", - сказала она.
Мексиканские пещерные рыбы причудливы, не просто слепы, но рождаются с глазами, которые регрессируют до тех пор, пока они полностью не теряются во взрослом возрасте. Кости их когда-то круглых глазных орбит разрушились. Вместо глаз в их пустых глазницах хранятся жировые отложения, покрытые такими же серебристыми, почти полупрозрачными чешуйками, как и остальная часть их бледных, непигментированных тел.
В исследовании UC изучалась одна биологическая адаптация, которая может помочь объяснить, как эти рыбы ориентируются и находят пищу без помощи зрения - асимметрия. Исследователи изучили молодых и взрослых пещерных рыб, чтобы понять, как их череп меняется в течение жизни.
Большинство рыб симметричны - их левая и правая стороны практически идентичны и обтекаемы, чтобы обеспечить наиболее эффективное передвижение в воде.
Cavefish генетически похожи на своих симметричных и зорких родственников, мексиканских тетр, обитающих в близлежащих ручьях и реках на поверхности. Они настолько близкородственны, что легко скрещиваются и производят плодовитых детенышей, хотя считается, что эти два вида разошлись миллионы лет назад.
Пещерные рыбы начинают свою жизнь с симметричных черт, как и другие рыбы. Но когда они взрослеют, их фрагментированные кости черепа затвердевают в явно перекошенном направлении, как показало исследование.
Исследователи Калифорнийского университета предполагают, что эта адаптация помогает обычно склоняющимся влево пещерным рыбам ориентироваться, используя органы чувств, называемые невромастами, чтобы следовать контурам пещеры, когда они постоянно плывут против часовой стрелки. Такое поведение наблюдалось у содержащихся в неволе пещерных рыб, которые продолжают двигаться по краям своих аквариумов, в то время как поверхностные рыбы, как правило, остаются неподвижными в тени своего аквариума или плавают бессистемно.
"Это был действительно большой кусок головоломки для нас", сказал Джошуа Гросс, профессор биологии Калифорнийского университета и соавтор. «Это загадка, как они смогли приспособиться. Удивительно то, что они не просто едва выживают - они процветают в полной темноте».
Гросс много лет изучает пещерных рыб в Калифорнийском университете. По его словам, они представляют собой прекрасную модель для изучения регрессивной эволюции, процесса, в ходе которого животные теряют черты в течение поколений.
«Черты, которые они потеряли, очень бросаются в глаза - их глаза, их пигментация», - сказал Гросс. «Прелесть изучения пещерных животных заключается в том, что это очень надежная модель для понимания того, почему теряются черты, и это простой, стабильный набор факторов окружающей среды, которые заставляют эти черты исчезать».
Животные, живущие в пещерах, такие разнообразные, как саламандры и раки, реагировали одинаково, теряя пигмент и зрение, приобретая или увеличивая другие сенсорные структуры.
«Тот факт, что все они движутся в одном и том же направлении эволюции, не является совпадением. Все они живут в полной темноте с ограниченным запасом пищи», - сказал он.
Пещерные рыбы особенно ценны для изучения эволюции, сказал Гросс, из-за их генетического родства с широко распространенными поверхностными рыбами. Многие предки других пещерных животных вымерли в результате естественного отбора или стихийных бедствий.
В биологической лаборатории Калифорнийского университета есть десятки аквариумов и резервуаров для размножения, полных пещерных и поверхностных рыб, каждая из которых меньше золотой рыбки. Исследователи используют наклейки с QR-кодом, чтобы отслеживать семейную историю местных рыб, плавающих медленными кругами.
Выносливых рыб легко содержать, потому что они непривередливы в еде. Они получают смесь продуктов, включая хлопья, артемию и червей. Калифорнийский университет получает свою исследовательскую рыбу из естественных популяций, поддерживаемых коллегами и авторитетными заводчиками.
«Наша лаборатория действительно старается не брать животных из природы», - сказал Гросс.
Мексиканская пещерная рыба также является популярным аквариумным питомцем.
Черепа всех, кроме пары пещерных рыб, изученных Калифорнийским университетом, изгибаются влево. Кажется, что у них правые плавники, они лениво плавают против часовой стрелки вокруг своих аквариумов в биологической лаборатории.
"Вы могли видеть, как асимметрия может быть преимуществом в навигации", сказал Пауэрс.
«Они, как правило, плавают круговыми движениями в одном направлении вокруг своих аквариумов, чтобы исследовать их окрестности», - сказала она. «Наличие асимметрии в их черепе, как мы думаем, связано с леворукостью. Если их череп изогнут влево, они могут быть «правшами». Они ощущают стену справа своими сенсорными структурами».
Такого рода асимметрия в природе встречается редко. Представьте себе краба-скрипача с огромной клешней. У сов асимметричные уши - один канал расположен выше на черепе, чем другой - возможно, чтобы помочь ночным хищникам поймать слабый шорох мыши в темноте.
В биологической лаборатории исследователи разводят поверхностных рыб с пещерными и изучают полученные гибриды, сказал соавтор и недавний выпускник Калифорнийского университета Шейн Каплан. Он и студентка Калифорнийского университета Эрин Дэвис также внесли свой вклад в исследование.
Интересные генетические комбинации возникают во втором поколении или популяции F2 гибридизации, сказал он.
«Вы можете зафиксировать генетическое разнообразие всего населения», - сказал Каплан. «Некоторые рыбы выглядят точно так же, как поверхностные рыбы. Другие выглядят точно так же, как пещерные рыбы. Тогда у вас будут прерывистые фенотипы. Некоторые бледные, но с глазами, а другие не имеют глаз, но полностью пигментированы».
Исследование финансировалось за счет грантов Национального института здравоохранения и Национального научного фонда.
Пауэрс путешествовал с Гроссом в Мексику в 2013, 2015 и в этом году для изучения диких пещерных рыб. Они носили пылезащитные маски для защиты от грибковых спор, связанных с гистоплазмозом респираторного заболевания, которое можно найти в гуано летучих мышей. Чтобы добраться до рыбных бассейнов, потребовалось немного спелеологии.
"Группа впереди нас побеспокоила некоторых летучих мышей. Когда мы входили, летучие мыши уходили", - сказала она. «У них невероятная эхолокация. Летучие мыши знали, где вы находитесь, и летали вокруг вас в темноте, даже если это была очень маленькая камера».
В пещере было несколько отдельных бассейнов, расположенных дальше от входа. Чем глубже они погружались, тем меньше рыбы находили, пока не нашли только слепых пещерных рыб.
«Всякий раз, когда вы касались поверхности воды пальцем, рой пещерных рыб подходил прямо к ней», - сказал Пауэрс. «Немногие рыбы сделали бы это. У этих пещерных рыб нет хищников, поэтому они не боятся. Это был действительно крутой опыт».
Каплан сказал, что было бы полезно изучить ДНК пещерной рыбы, чтобы выяснить, что вызывает асимметрию у взрослых пещерных рыб.
«Мы еще не вникли в то, почему это происходит. Я бы хотел больше узнать о генетике и процессах развития, которые приводят к этим причудливым фенотипам», - сказал Каплан.
Гросс сказал, что его лаборатория биологии продолжит заниматься этими и другими вопросами об этой очаровательной рыбе, которая освоила темное подземное царство, равнодушная к яркому, красочному и хаотичному миру над ней.