Badania rudzików morskich, zapoczątkowane przez ich niezwykłe przydatki przypominające nogi, ujawniły ich złożone adaptacje sensoryczne i genetyczne.
Odkrycia te podkreślają ich rolę w badaniu biologii ewolucyjnej, łącząc ich cechy z szerszymi procesami biologicznymi, w tym zachodzącymi u ludzi.
Rudziki morskie, wyposażone w sześć odnóży, doskonale radzą sobie z prowadzeniem życia na dnie, sprawnie biegając i kopiąc, aby odkryć zdobycz. Odnoszą taki sukces, że przyciągają inne ryby, które kradną ich znaleziska.
To intrygujące zachowanie i wyjątkowa anatomia skłoniły Coreya Allarda do rozpoczęcia badań nad tymi charakterystycznymi rybami po nieoczekiwanym spotkaniu z nimi w Marine Biological Laboratory w Cape Cod w 2019 roku.
„Widzieliśmy, że mają w zbiorniku kilka rudzików morskich i pokazali nam je, bo wiedzą, że lubimy dziwne zwierzęta” – powiedział Allard, doktorant w laboratorium Nicholasa Bellono, profesora na Wydziale Biologii Molekularnej i Komórkowej . Laboratorium Bellono bada biologię sensoryczną i fizjologię komórkową wielu zwierząt morskich, w tym ośmiornic, meduz i ślimaków morskich.
Spostrzeżenia i odkrycia badawcze
„Rodziki morskie są przykładem: gatunek z bardzo nietypową, bardzo nową cechą” – kontynuował Allard. „Chcieliśmy wykorzystać je jako model i zadać pytanie: «Jak zrobić nowe organy?»”
Głębokie zgłębienie przez Allarda biologii rudzika morskiego zaowocowało współpracą z badaczami ze Stanford badającymi genetykę rozwojową ryb, czego kulminacją były artykuły opublikowane w Aktualna biologia, współautorami są Bellono i Amy Herbert oraz David Kingsley z Uniwersytetu Stanforda i inni. Badania te dostarczają najpełniejszego jak dotąd zrozumienia, w jaki sposób rudziki korzystają ze swoich nóg, jakie geny kontrolują powstawanie tych nóg oraz w jaki sposób zwierzęta te można wykorzystać jako ramy koncepcyjne dla adaptacji ewolucyjnych.
„Nogi” rudzika morskiego są w rzeczywistości przedłużeniem płetw piersiowych, których mają po trzy z każdej strony. Allard najpierw próbował ustalić, czy nogi są w dobrej wierze narządami zmysłów, co naukowcy podejrzewali, ale nigdy nie potwierdzili. Prowadził eksperymenty, obserwując trzymane w niewoli rudziki morskie polujące na zdobycz, podczas których na przemian pływały i „chodziły”. Czasami drapią także powierzchnię piasku, aby znaleźć zakopaną ofiarę, taką jak małże i inne skorupiaki, bez wizualnych wskazówek. Naukowcy zdali sobie sprawę, że nogi są wrażliwe zarówno na bodźce mechaniczne, jak i chemiczne. Zakopali nawet kapsułki zawierające tylko pojedyncze substancje chemiczne, a ryby mogły je łatwo znaleźć.
Nieoczekiwane odkrycia i badania porównawcze
Zbieg okoliczności doprowadził do kolejnego przypadkowego odkrycia. W połowie badań otrzymali świeżą dostawę ryb, które wyglądały jak oryginały, ale nowe ryby – powiedział Allard – nie kopały i nie znajdowały zakopanej ofiary ani kapsułek tak, jak potrafiły to oryginały. „Myślałem, że to po prostu niewypał, a może konfiguracja nie zadziałała” – wspomina Bellono ze śmiechem.
Okazało się, że badacze nabyli inny gatunek rudzika morskiego. W swoich badaniach scharakteryzowali ich oboje – Prionotus carolinus, które kopią w poszukiwaniu zakopanej ofiary i są bardzo wrażliwe na dotyk i sygnały chemiczne, oraz P. evolans, którym brakuje tych zdolności sensorycznych i używają nóg do poruszania się i sondowania, ale nie do kopania.
Badając różnice w nogach obu ryb, odkryli, że ryby kopiące miały kształt łopaty i były pokryte wypustkami zwanymi brodawkami, podobnymi do naszych kubków smakowych. Nogi ryb niekopących miały kształt pręta i nie posiadały brodawek. Na podstawie tych różnic naukowcy doszli do wniosku, że brodawki są podspecjalizacjami ewolucyjnymi.
Analiza ewolucyjna i szersze implikacje
Artykuł Allarda opisujący ewolucję nowych narządów zmysłów rudzików morskich obejmował analizę okazów rudzików morskich z Muzeum Zoologii Porównawczej w celu zbadania morfologii nóg u różnych gatunków i czasu. Odkrył, że gatunki kopiące są ograniczone tylko do kilku lokalizacji, co sugeruje stosunkowo niedawną ewolucję tej cechy.
Badanie nóg rudzika morskiego nie polegało tylko na spędzaniu czasu z dziwnymi zwierzętami (chociaż to też było zabawne). Chodzące ryby są potencjalnie potężnym organizmem modelowym do porównywania wyspecjalizowanych cech i uczenia nas, w jaki sposób ewolucja pozwala na adaptację do bardzo specyficznych środowisk.
Około 6 milionów lat temu ludzie wyewoluowali zdolność chodzenia w pozycji pionowej, oddzielając się od swoich przodków z rzędu naczelnych. Dwunożność jest cechą charakterystyczną naszego gatunku, a o tym, jak, kiedy i dlaczego nastąpiła ta zmiana, wiemy tylko tyle. Wskazówki mogą dostarczyć rudziki morskie i ich przystosowanie do życia na dnie oceanu. Na przykład istnieją genetyczne czynniki transkrypcyjne kontrolujące rozwój nóg rudzików morskich, które występują również w kończynach innych zwierząt, w tym ludzi.
Drugie badanie skupiające się na genetyce obejmowało laboratorium Kingsley w Stanford; włoska fizyk Agnese Seminara; i biolog Maude Baldwin z Instytutu Maxa Plancka w Niemczech; i wszechstronnie zbadali genetyczne podstawy niezwykłej cechy chodzącej ryby. Naukowcy wykorzystali techniki, w tym edycję transkryptomiczną i genomiczną, aby określić, które czynniki transkrypcyjne genów biorą udział w tworzeniu nóg i funkcjonowaniu rudzików morskich. Stworzyli także hybrydy dwóch gatunków rudzików morskich o różnych kształtach nóg, aby zbadać podłoże genetyczne tych różnic.
„Amy i Corey włożyły wiele wysiłku w opisanie tego zwierzęcia i myślę, że dość rzadko zdarza się przejść od opisu zachowania, przez opis cząsteczek, aż do opisu hipotezy ewolucyjnej” – powiedział Bellono. „Myślę, że to dobry schemat stawiania pytań naukowych i rygorystycznego podążania za nimi z ciekawością i otwartym umysłem”.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Walking Fish? Odkryj wyjątkową zdolność Robina Morskiego.
Referencje:
„Ewolucja nowatorskich narządów zmysłów u ryb z nogami” Corey AH Allard, Amy L. Herbert, Stephanie P. Krueger, Qiaoyi Liang, Brittany L. Walsh, Andrew L. Rhyne, Allex N. Gourlay, Agnese Seminara, Maude W. Baldwin, David M. Kingsley i Nicholas W. Bellono, 26 września 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.014
„Starożytne geny rozwojowe leżą u podstaw ewolucyjnych nowości u chodzących ryb” Amy L. Herbert, Corey AH Allard, Matthew J. McCoy, Julia I. Wucherpfennig, Stephanie P. Krueger, Heidi I. Chen, Allex N. Gourlay, Kohle D. Jackson , Lisa A. Abbo, Scott H. Bennett, Joshua D. Sears, Andrew L. Rhyne, Nicholas W. Bellono i David M. Kingsley, 26 września 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.042
