Рыбья диета стимулирует эволюцию глубоко внутри их клеток

Фото из открытых источников

Если спросить, чем питаются цихлиды, биолог обычно осматривает челюсть. Следы от зубов указывают на водоросли. Более широкое раскрытие рта говорит о том, что в её рацион попало что-то ещё.

Связь между формой рта и рационом питания была задокументирована у сотен видов. Но форма рта не отражала всей картины. Новое исследование показало, что диета влияет на форму этих рыб не только в плане челюстей и длины кишечника. Это воздействие распространяется вплоть до клеток, выстилающих кишечник, и изменяет саму ткань способами, которые ученые ранее никогда не могли описать. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

«До сих пор мало что было известно о том, как пищеварительный тракт адаптируется к различным диетам на клеточном уровне и в ходе клеточных процессов», — сказал Антуан Фаж из Базельского университета.

Озеро Танганьика в Восточной Африке является местом проведения одного из самых невероятных эволюционных экспериментов на планете. В этом районе обитает около 250 видов цихлид. Некоторые из них счищают водоросли с камней, другие охотятся на добычу или даже отрывают чешую от соседних рыб.

Озеро Танганьика заслужило репутацию образцового примера адаптивной радиации – когда многие виды произошли от нескольких предков и выполняют различные экологические функции. Челюсти рыб адаптировались к рациону питания. Длина кишечника также изменилась: у хищников, как правило, развилась более короткая кишка, а у травоядных — более длинная. Ученые документируют обе эти закономерности уже много лет.

Чтобы получить более четкую картину, Фажес и его команда обратились к секвенированию отдельных клеток — методу, позволяющему регистрировать активность генов в каждой отдельной клетке.

Исследователи применили этот метод к 24 видам цихлид с очень разнообразным рационом питания. В результате работы была создана поклеточная карта, показывающая, что делают разные клетки внутри стенки кишечника у видов, имеющих общего предка, но развивших радикально разные рационы питания.

Клетки, выполняющие большую часть эволюционной работы, расположены в передней части кишечника. Исследователи называют их передними энтероцитами — это клетки, отвечающие за всасывание, через которые жиры и питательные вещества поступают из пищи в организм.

Под микроскопом они плотно прижаты друг к другу, образуя единый живой слой. Каждый из них захватывает молекулы из пищевого потока и переносит их в кровоток, расположенный ниже. У плотоядных цихлид эти клетки были не просто более активны. Их было больше.

Анализ показал, что стенка кишечника у мясоедов выглядела иначе. В ней преобладали клетки, приспособленные к диете, богатой жирами и белками. У травоядных рыб наблюдался иной клеточный состав.

Исследование 2009 года уже связывало рацион цихлид из Танганьи с длиной кишечника. Это исследование идет еще дальше – оказывается, сами ткани приспособлены к рациону питания. Затем последовал второй сюрприз. Гены, наиболее активные в этих специализированных клетках кишечника, по-видимому, практически не влияли на другие части тела.

Такая специфичность необычна и важна. Когда ген также активен в мышцах, глазах или других тканях, эволюция не может легко модифицировать его, не вызывая проблем в других частях тела. Гены, ограниченные определенными типами клеток, обеспечивают гораздо большую эволюционную гибкость.

«Это открывает широкие возможности для эволюционных адаптаций», — сказал один из ведущих авторов исследования профессор Патрик Чопп из Базельского университета.

Иными словами, кишечник обладал своего рода эволюционной гибкостью, заложенной изначально — классом генов, которые можно было свободно перенастраивать, не вызывая при этом негативных последствий для остальной части животного.

Впервые исследователи наблюдали за развитием пищевой специализации на трех различных биологических уровнях. Они проследили изменения в челюсти, общей длине кишечника и клетках, выстилающих кишечную стенку.

Исследование также показало, как эти клетки кишечника включают и выключают различные гены у видов, адаптированных к кардинально разным диетам. Этот последний слой оставался невидимым для биологов, работающих с целыми тканями. Секвенирование отдельных клеток позволило его раскрыть.

Исследователи называют этот результат эволюцией на уровне отдельных клеток – то, что раньше они не могли отслеживать с такой точностью. С этого момента меняется наше представление о том, как экология воплощается в жизнь.

Ответ кроется глубже, чем просто кости или челюсть. Он затрагивает архитектуру тканей и небольшие сообщества клеток внутри них. Теперь исследователи, изучающие самые разные явления — от пищеварения у человека до рыбоводства, — могут задавать аналогичные вопросы и в отношении других видов животных.

Чем отличается кишечник человека, употребляющего жирную пищу, на клеточном уровне от кишечника человека, приспособленного к употреблению клетчатки? Где находятся специфические для клеток гены, определяющие, какая диета оказывает наибольшее влияние?

Цихлиды Танганьики дали ответы на эти вопросы.