Пещерные рыбы в процессе эволюции утратили зрение, но приобрели другие адаптации

Фото из открытых источников

Глубоко под землей на северо-востоке Мексики, в пещерах, куда никогда не проникает свет, маленькая, бледная пещерная рыбка проводит свои дни в полной темноте. Мексиканская тетра выживает таким образом сотни тысяч лет.

За этот долгий период она утратила и глаза, и окраску тела. Ее мозг также перестроился, адаптировавшись к жизни без света. Это скрытое изменение теперь помогает ответить на сложный вопрос. Как эволюция перестраивает мозг, чтобы создать совершенно новое поведение?

Мексиканская тетра (Astyanax mexicanus) имеет как наземную, так и пещерную формы. Поскольку они принадлежат к одному виду, это делает естественное сравнение довольно редким. Наземная форма сохраняет зрение и плавает в реках, в то время как более 30 пещерных популяций обосновались в постоянной темноте и утратили зрение.

Группа исследователей из Университета Флориды Атлантик провела один и тот же простой тест для обеих форм рыб. Они отслеживали движения каждой рыбы в течение пятиминутных периодов чередования света и темноты. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Рыбы, обитающие на поверхности воды, становились более активными в момент выключения света. Пещерные рыбы, наоборот, ускоряли движение, когда свет включался. Для рыб, обитающих на поверхности воды, внезапная темнота вызывает всплеск активности, который издавна описывался как охота за светом. Пещерные рыбы, не находящие света, за которым стоило бы гнаться, перевернули этот старый инстинкт с ног на голову.

Этот переворот начинает обретать смысл, если учесть, где обитает каждая из этих рыб. Яркие пятна возле входов в пещеры делают пещерных рыб уязвимыми для хищников и для мира, к которому они не приспособлены. Избегая света, они обеспечивают себе безопасность в темных уголках пещеры. Такое поведение, называемое фотокинезом, по-видимому, является прямым ответом на особенности жизни в пещере.

Та же самая привычка избегать света наблюдается у пещерных животных по всему миру, от насекомых до других рыб. Эта повторяющаяся закономерность указывает на то, что подземная жизнь вознаграждает существ, которые держатся подальше от любого свечения.

Чтобы понять, что меняется внутри головы, команда использовала метод визуализации всего мозга, который регистрирует активность каждой клетки по отдельности. Они вывели на свет рыб, нейроны которых светятся при активности, а затем наблюдали, как эти сигналы изменяются в зависимости от изменения освещения.

Затем карты активности были сопоставлены с существующим атласом мозга пещерной рыбы. Это позволило команде сравнить две формы, регион за регионом. Активность считывалась с помощью молекулярного маркера, который помечает нейроны вскоре после их активации. Сравнивая светлое и темное состояния, команда смогла определить, какие области действительно чувствительны к переключению.

Большинство светочувствительных областей вели себя так, как и ожидалось, включая шишковидную железу, которую обе формы по-прежнему используют для обнаружения света.

Фактически, в шишковидной железе не было обнаружено существенной разницы между двумя образцами, что позволяет предположить, что изменения касаются не способа восприятия света мозгом, а того, как он его ощущает.

В одной глубоко расположенной области переднего мозга ситуация была иной. Этот регион, задний бугорок мозга, активизировался, когда рыбы, находящиеся на поверхности, погружались в темноту, но активизировался у пещерных рыб, когда включался свет.

«Примечательно, что нейроны, реагирующие на темноту у поверхностных рыб, оказались способными реагировать на свет у пещерных рыб, что позволяет предположить, что эволюция может перепрофилировать существующие нейронные цепи, а не создавать совершенно новые», — сказал ведущий автор исследования Эрик Дюбуэ.

Это открытие указывает на изящный эволюционный обходной путь. Вместо того чтобы создавать новые нейронные сети с нуля, мозг пещерной рыбы перераспределил уже имеющиеся связи.

Оказалось, что эти перепрофилированные клетки являются нейронами, вырабатывающими дофамин, — частью пути, широко распространенного в животном мире. Эти конкретные клетки напоминают дофаминовые нейроны A11, обнаруженные у рыб, грызунов и приматов.

Когда команда заблокировала передачу сигналов дофамина, световая реакция исчезла в обоих случаях. Удаление определенных нейронов еще больше сократило это поведение, что позволило дофамину оказаться в самом центре реакции.

Известно, что эти клетки посылают сигналы вниз к телу, где они помогают осуществлять движение. Эта роль соответствует рывкам в плавании, которые наблюдаются каждый раз, когда меняется цвет подсветки.

«Наше открытие того, что у пещерных рыб развилась фотокинетическая реакция, вызываемая светом, позволило нам выяснить, какие области мозга затронуты и какие подгруппы нейронов могут способствовать поведенческим вариациям», — сказал Дюбуэ.

Исследователи также отметили, что все ранее изученные рыбы с развитыми глазами демонстрируют темный фотокинез, тогда как световой фотокинез наблюдается только у пещерных рыб.

Эта закономерность позволяет предположить, что фотокинез, вызванный светом, развился как адаптация к жизни в пещерах.

Команда также задалась вопросом, передается ли такое поведение по наследству. Они скрестили поверхностных рыб с пещерными рыбами и наблюдали за поведением потомства. У гибридных рыб наблюдался широкий спектр реакций: одни реагировали на свет, другие — на темноту.

Такой широкий диапазон размеров является убедительным доказательством того, что это поведение заложено в геноме, а размер заднего бугорка тесно коррелировал с поведением каждого гибрида.

Скрещивания первого поколения оказались где-то посередине, между двумя родительскими типами. Их потомство затем распространилось по всему спектру, от сильно зависящего от света до сильно зависящего от темноты.

Одни и те же дофаминовые пути проходят через пищеварительную систему рыб, грызунов и людей, при этом большая часть нейронных связей остается неизменной у всех этих групп. Таким образом, изменения, наблюдаемые у крошечной слепой рыбки, могут свидетельствовать о том, как наш собственный мозг обрабатывает окружающие нас сигналы.

Состояния, связанные с нарушением функции дофамина, такие как болезнь Паркинсона, шизофрения, аутизм и СДВГ, однажды могут быть лучше поняты благодаря подобным исследованиям.

«Пещерные рыбы представляют собой уникальную модель для изучения эволюции сенсорных систем и адаптации мозга к новой среде», — сказал Дюбуэ. «Понимая, как эволюция модифицирует нейронные цепи для обработки информации из окружающей среды, мы можем глубже проникнуть в фундаментальные принципы, формирующие поведение во всем животном царстве».