Сенсорная система в плавниках рыб развивается параллельно с формой и механикой плавников и специально настроена для работы с плавательным поведением рыб, согласно новому исследованию Чикагского университета. Исследователи обнаружили эти параллели у широкого круга видов рыб, предполагая, что они могут встречаться и у других животных.
В исследовании, опубликованном 10 апреля 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, были объединены измерения формы плавников у сотен особей семейства Labridae с механическими свойствами плавников и нейронными реакциями, зарегистрированными у восьми различных видов Labridae. широко известны как губаны. Затем эти измерения были нанесены на карту эволюционного дерева 340 губанов, чтобы определить, как со временем менялись механические свойства и нервная система плавников.
«По мере того, как грудные плавники меняют форму, поведение и механические свойства, мы показали, что сенсорная система также развивается вместе с ними», - сказал Бретт Айелло, аспирант кафедры биологии и анатомии организмов. и ведущий автор исследования. «Это позволяет сенсорной системе настраиваться на различные стимулы, относящиеся к двигательному поведению и механике плавников разных видов».
Когда животные используют придатки для движения, они полагаются на сенсорную обратную связь от этих конечностей, чтобы управлять движением. Нервы в грудных плавниках рыб определяют положение плавниковых лучей и то, насколько сильно они изгибаются при движении в воде, что помогает рыбе ощущать скорость и относительное положение своих плавников.
Форма плавника также влияет на то, как рыба будет двигаться. Ученые используют число, называемое соотношением сторон (AR), чтобы измерить эту форму. Высокий AR означает, что плавник длинный и узкий или больше похож на крыло; низкий AR означает, что плавник широкий или круглый и больше похож на весло. Губаны с высоким AR, похожими на крылья плавниками взмахивают ими, чтобы максимизировать эффективность и тягу, когда они продвигаются вперед, в то время как те, у кого более широкие, низкие AR, похожие на весла плавники, используют гребные движения, чтобы маневрировать вблизи дна рифа.
Айелло и его коллеги собрали измерения пропорций плавников у сотен видов лабрид в Полевом музее и объединили эти данные с генетической филогенией 340 лабридов, разработанной Марком Вестнитом, доктором философии, профессором биологии и анатомии организмов и его коллегами. - автор исследования. Используя ДНК живых рыб, Вестнит построил генеалогическое древо родственных связей между этими видами, проследив их эволюцию во времени. Затем исследователи сопоставили форму плавников каждого вида с филогенезом, что позволило им проследить эволюцию плавников от их предков до живых видов. Реконструкция наследственного состояния выявила закономерности конвергентной эволюции, при этом плавники с высоким AR возникли независимо по крайней мере 22 раза.
Исследуя эту историю эволюции плавников, исследователи также проверили механические свойства и чувствительность сенсорной системы в грудных плавниках четырех пар близкородственных видов лабрид, одна с плавниками с низким AR, а другая с независимо развившимися высокими AR. плавники Команда проверила сенсорную реакцию, измерив нейронную реакцию от нервов грудного плавника, когда они сгибали плавник, а затем повторили процесс, сгибая плавники каждый раз на разную величину.
То, что они обнаружили, дало больше информации о полезности каждого вида плавников. Плавники с низким AR, похожие на весла, имели тенденцию быть более гибкими, а плавники с высоким AR были более жесткими или жесткими. Но сенсорная система крылатых плавников с высоким AR также была более чувствительной, а это означало, что плавники лучше реагировали на меньшую величину изгиба. Айелло сказал, что, по его мнению, более чувствительная нервная система развилась в плавниках с высоким AR, потому что она должна была быть более восприимчивой к небольшим движениям, поскольку рыба использует эти жесткие, менее гибкие плавники для плавания.
Работа является результатом сотрудничества между различными дисциплинами, что является отличительной чертой программы «Биология и анатомия организмов» в Калифорнийском университете в Чикаго. Итоговое исследование PNAS могло состоять из трех отдельных статей: архивное исследование образцов из Полевого музея, генетическая филогения и нейробиологическое исследование живых видов.
«Сотрудничество между учеными с разными взглядами и опытом может вывести исследования в совершенно новых направлениях», - сказала Мелина Хейл, профессор биологии и анатомии организма Уильяма Рейни Харпера и старший автор исследования.«Это также очень весело, потому что мы узнаем об областях друг друга. Для экспериментаторов, таких как мы, работа с коллегами и коллекциями естественной истории в Полевом музее была особенно важна, поскольку они дают ключевое представление об эволюции и биоразнообразии».
Помимо лучшего понимания биологами того, как рыбы оптимизировали свою механику плавания, результаты исследования также могут быть полезны инженерам, разрабатывающим подводные автономные транспортные средства. Силовые установки этих устройств должны быть как эффективными, так и отзывчивыми, и, возможно, нет лучших конструкций для копирования, чем те, которые были усовершенствованы в результате эволюции на протяжении миллионов лет.
«Многие проблемы, с которыми сталкиваются инженеры, похожи на те, для которых животные уже нашли решения с течением времени», - сказал Айелло. «Если мы начнем больше ориентироваться на биотехнологии и включать некоторые вещи, которые мы видим в природе, в наши инженерные устройства, я думаю, это поможет продвинуться вперед и решить некоторые из этих проблем быстрее."