Цихлиды - удивительно разнообразное семейство рыб, в котором многие африканские пресноводные виды известны своей невероятной зрительной системой. Сложное зрение этих цихлид является результатом разнообразия белков зрительного пигмента в их сетчатке: в то время как у людей есть гены для производства трех из этих белков (называемых опсинами), у многих цихлид их семь. Каждый вид африканских цихлид вырабатывает определенный набор белков опсина, который хорошо соответствует световому спектру окружающей их среды.
Зрительные системы африканских видов цихлид, эволюционировавших в спокойных, прозрачных озерах, насыщенных солнечным светом, достаточно хорошо изучены. Но новый анализ, проведенный Университетом штата Мэриленд и Государственным университетом Сан-Паулу в Бразилии, впервые рассматривает зрение цихлид, живущих в мутной илистой воде бассейна Амазонки в Южной Америке. Исследователи обнаружили, что у трех избранных амазонских видов несколько генов опсинов были выключены или полностью потеряны.
Исследовательская статья, опубликованная 20 декабря 2016 года в журнале Molecular Ecology, описывает, как три вида амазонских цихлид адаптировались к темной световой среде бассейна Амазонки, которая предпочитает более длинные волны света, такие как красный и оранжевый. Южноамериканские и африканские цихлиды отделились от общего предка около 100 миллионов лет назад, после того как суперконтинент Гондвана отделился, образовав оба современных континента. Важные изменения в окружающей среде привели южноамериканских цихлид к пути, совершенно отличному от пути их африканских родственников.
В чистой воде короткие волны света лучше всего пропускают свет. Вот почему океаны и большие глубокие пресноводные озера, такие как некоторые в Африке, кажутся зелеными и синими. Но в реках, таких как Амазонка, много ил и органические вещества, которые блокируют короткие волны», - сказала Карен Карлтон, профессор биологии в UMD и старший автор исследования. «Мы обнаружили, что этих различий достаточно, чтобы амазонские виды потеряли или отключили некоторые опсины, обнаруживающие короткие волны».
Коллеги Карлтона из Государственного университета Сан-Паулу под руководством Сезара Мартинса секвенировали геномы трех амазонских видов, распространенных в аквариумистике: пресноводных скалярий (Pterophyllum scalare), дискусов (Symphysodon discus) и оскара (Astronotus ocellatus).. Из семи генов опсинов, известных у африканских цихлид, один ген опсина был полностью утерян у всех трех амазонских видов. Кроме того, по крайней мере у одного вида были отключены другие гены опсинов.
Затем команда Карлтона из UMD определила, какие гены были включены для производства опсиновых белков у этих видов. Хотя механизмы потери генов или изменения регуляции у каждого вида немного отличались, исследователи обнаружили, что все три вида экспрессируют одни и те же три белка опсина. Этот специфический набор белков опсинов особенно хорошо подходит для красных и оранжевых длин волн света, которые преобладают в водах Амазонки..
«Южноамериканские цихлиды не так разнообразны, как их африканские родственники. Но они по-прежнему очень красочны, что делает их популярными в аквариумной торговле», - сказал Даниэль Эскобар-Камачо, аспирант биологических наук UMD и первый автор исследования. «Мне интересно узнать больше о том, как они воспринимают мир».
Эскобар-Камачо и Карлтон оба были удивлены, увидев, что все три вида полностью потеряли гены.
«Каждый из трех разных родственных видов терял гены по-разному», - сказал Карлтон.«Это было не просто одно событие на раннем этапе - каждый вид, казалось, приобретал эту чувствительность особым образом. Мы узнаем, что генетика зрения невероятно разнообразна. Похоже, что гены приходят и уходят гораздо быстрее, чем я ожидал.."
Эскобар-Камачо планирует изучить зрение у другой группы южноамериканских рыб: харакообразных, в которую входят пираньи и неоновые тетра. Он также хотел бы продвинуться дальше в работе с цихлидами.
«Я хотел бы доказать, что цихлиды обладают цветовым зрением. Мы показали это с точки зрения молекулярной биологии: у них есть гены опсина и они экспрессируют пигментные белки», - сказал Эскобар-Камачо. «Но я хочу пойти еще дальше и доказать это на примере поведения. Я работаю над тем, чтобы научить рыбу отличать один цвет от другого».