Визуальное разнообразие живых существ на планете Земля обусловлено не столько тягой к прекрасному и желанием отличаться, сколько средой обитания, повадками и даже гастрономическим предпочтениями. Кто-то предпочитает оставаться незамеченным, сливаясь с окружающей средой за счет камуфляжного окраса и необычной формы тела. Кто-то, наоборот, всем своим видом говорит любому, кто осмелиться приблизиться, о своей ядовитости. А кто-то просто любит покрасоваться перед партнером и втоптать в грязь конкурента. Любые визуальные особенности имеют какую-то функцию. К примеру, окрас рыб-клоунов вида Amphiprion percula, ставших всемирно узнаваемыми благодаря мультфильму «В поисках Немо», связан с их территориальностью. И вот ученые из Окинавского института науки и технологий (Япония) решили выяснить, как и откуда у рыб-клоунов появляются их фирменные белые полосы на теле. Когда у рыб-клоунов проявляются их полосы, какие механизмы задействованы в этом, и при чем тут анемоны? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Рыбы-клоуны это род морских лучеперых рыб из семейства помацентровых, насчитывающий порядка 30 видов, обитающих на рифах Индийского и Тихого океанов.
Рыбам-клоунам, несмотря на вспыльчивый нрав, не чужда командная работа.
Одной из самых знаменитых особенностей этих рыбок является их симбиотические отношения с анемонами (актиниями) — организмами из отряда стрекающих из класса коралловых полипов. Похожи они на пучок щупалец (Ктулху одобряет) с/без ножки, прикрепленной к твердому морскому грунту. Актинии ведут сидячий образ жизни и питаются тем, что по своей глупости или ввиду стечения обстоятельств попадется в их щупальца. Однако резких выпадов или какой-либо другой атаки увидеть не удастся, ибо убивают (или парализуют) свою добычу актинии с помощью стрекательных клеток (книдоцитов). Парализованная (в лучшем случае уже мертвая) жертва затем щупальцами переносится к рту актинии.
Но рыбы-клоуны, посмотрев на актинию, видят не опасность, а бесплатное жилье. Щупальца актинии покрыты слизью, защищающих их от действия собственных стрекательных клеток. Рыбы-клоуны также покрыты подобной слизью, что делает их невосприимчивыми к смертоносным книдоцитам. Рыбки используют актинии в качестве дома и даже источника пищи (остатки пищи актинии, отвалившиеся щупальца, выделения). В замен они очищают актинии от мусора, непереваренной пищи и прогоняют воду через ее щупальца, обеспечивая «вентиляцию».
Многие виды рыб-клоунов крайне ревностно относятся к своим актиниям, отгоняя любого, кто приблизится на «подозрительное» по их мнению расстояние. Другими словами, несмотря на свое веселое название, эти рыбки ведут себя не как добрые клоуны из тетра «Лицедеи», а как Пеннивайз.
Многие ученые связывают окрас рыб-клоунов и их территориальность. Однако доселе не было известно, как такой окрас формируется. В частности ученых всегда озадачивали три белые полосы на теле взрослых особей, которых нет у молодняка. Это свидетельствует о том, что в течение жизни рыбки претерпевают какие-то метаморфозы. Осталось выяснить какие.
Ученые отмечают, что основная задача биологии это понимание видообразования. Но это не ограничено пониманием разницы между видами (утрировано говоря), но и пониманием причин и механизмов, вызывающих отличия внутри одного вида, будь то физиологические или поведенческие.
Разнообразие внутри одного вида может выражаться в виде фенотипических вариаций между отдельными популяциями. Но и внутри отдельной популяции могут быть отличия, вызванные влиянием окружающей среды, поведенческими особенностями или условиями развития.
В некоторых случаях фенотипическая изменчивость может отражать пластичность адаптивного развития, т.е. способность организмов изменять траектории своего развития для создания фенотипов, точно адаптированных к условиям окружающей среды. Примером такой пластичности является разнообразный окрас у животных одного и того же вида.
На словах это выглядит достаточно просто, однако на деле подобные пластичные изменения связаны со сложными изменениями на физиологическом, клеточном и молекулярном уровнях. Ученые честно признают, что хоть пластичность и известна науки, но вот механизмы, лежащие в ее основе, практически не изучены.
В этом ключе стоит отметить еще один важный и необычный процесс, протекающий в ходе развития некоторых организмов, — метаморфоз. Этот процесс обусловлен серьезными изменениями в строении организма (или его части) в ходе индивидуального развития. Метаморфоз регулируется гормонами щитовидной железы (TH от thyroid hormones). Следовательно, какие-либо изменения TH в ходе метаморфоз, вызываемых этими гормонами, могут повлиять и на процесс, и на результат столь сложного процесса преобразования организма. TH также играет важную роль в переходе пигментации от личинки до взрослой особи. К примеру, у рыбок данио-рерио (Danio rerio) TH способствует созреванию специфических пигментных клеток, черных меланофоров и желтых ксантофоров.
Данио-рерио еще называют дамским чулком (кто сказал, что у ихтиологов нет чувства юмора).
Следовательно, есть большая вероятность, что подобная картина должна наблюдаться и у рыб-клоунов. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили проверить связь между TH и метаморфозами окраса рыб-клоунов, а также рассмотрели потенциальное влияние среды обитания (два разных вида актиний) на этот процесс.
Главными героями исследования стали близкородственные виды Amphiprion ocellaris и Amphiprion percula, обитающие в симбиозе с актиниями в тропическом Индо-Тихоокеанском регионе. Ученые установили, что молодняк A. percula демонстрирует разную скорость образования белых полос в зависимости от вида актинии, где они обитают: в актинии вида Stichodactyla gigantea полосы появляются быстрее, а в актинии Heteractis magnifica — медленнее. Следовательно, на образование полос (т.е. на определенные метаморфные изменения) влияют не только внутренние факторы (гормоны щитовидки), но и внешние (среда обитания).
Результаты исследования
В ходе постэмбрионального развития особи Amphiprion постепенно приобретают полосы на голове, туловище и на хвостовом стебле. В заливе Кимбе (Папуа-Новая Гвинея) вид A. percula встречается в двух разных видах актиний: S. gigantea и H. magnifica, но рыбки, живущие там, принадлежат к одной популяции.
Изображение №1
Однако у молодняка A. percula, живущего в актинии S. gigantea, белых полос больше, чем у молодняка, живущего в актинии H. magnifica. У 33% из 148 особей (возрастом от 200 до 250 дней) в актинии S. gigantea было три белых полоски, тогда как лишь 5% из 118 особей того же возраста в H. magnifica имели три полосы (1A и 1B).
Наблюдения говорят о том, что вид актинии (т.е. среда обитания) влияют на время образования белых полос у молодняка A. percula. Проверить верность этого утверждения помог множественный регрессионный анализ, позволяющий установить зависимости одной переменной от двух или более независимых переменных. Как и предполагалось, анализ подтвердил, что у молодняка, живущего в S. gigantea, всегда было больше полосок, чем у особей из актинии H. magnifica (1C и 1D).
Изображение №2
Образование полос напрямую связан с процессом постэмбрионального развития, в частности с метаморфозой. Следовательно, проследив стадии этого процесса, можно установить связь между полосами и уровнем гормонов щитовидной железы (TH).
Вид A. ocellaris демонстрирует две схемы пигментации во время развития: перед стадией №5 (примерно через 9 дней после вылупления) личинки имеют желтые ксантофоры* с набором звездчатых меланофоров, образующих две горизонтальные полосы, покрывающие миотомы* (красные стрелки на 2A—2D).
Хроматофоры* — пигментсодержащие или светоотражающие клетки, разделяющиеся на подклассы в зависимости от цвета:
ксантофоры — желтый;
эритрофоры — красный;
лейкофоры — белый;
меланофоры — черный/коричневый;
цианофоры — синий;
иридофоры — серебристый.
Миотом* — парный зачаток скелетной мускулатуры у зародышей хордовых животных.
Начиная с пятой стадии личинки приобретают три белые вертикальные полосы (белые стрелки на 2E—2G), оранжевые ксантофоры за пределами будущих белых полос (оранжевые стрелки на 2E) и меланофоры, распределенные по всему телу (черные стрелки на 2E и 2F). Эти меланофоры присутствуют по всему телу и имеют более высокую плотность на границе белых полос (2F и 2G).
Для лучшего понимания изменений рисунка на теле особей, происходящие на четвертой стадии, необходимо было провести оценку экспрессии генов пигментации на постэмбриональных стадиях. Для этого из личинок на каждой из стадий развития извлекали РНК для транскриптомного анализа. Основной акцент ставился на изучении генов пигментации (2H), в частности на иридофорных генах, так как именно они отвечают за образование белых полос.
Было установлено, что стадии 1-3 разительно отличаются от стадий 4-7 по главному компоненту 2 (PC2; 2H и 2I).
Метод главных компонентов (PCA от principal component analysis) — способ уменьшить размерность данных, потеряв наименьшее количество информации.
Среди генов, относящихся к PC2, гены fhl2b, pnp4a и prkacaa проявлялись сильнее на стадиях 5-7 по сравнению со стадиями 1-3. А гены gbx2, trim33, gmps и oca2, наоборот, проявлялись сильнее на стадиях на стадиях 1-3 по сравнению со стадиями 5-7 (2J).
Также в ходе анализа наблюдалось четкое разделение стадий для всех функциональных категорий: спецификация пигментных клеток, развитие ксантофоров, синтез птеридинового пигмента ксантофоров, развитие меланофоров, регуляция меланогенеза и биогенез меланосом.
Данные наблюдения предполагают, что на четвертой стадии происходит некий важный сдвиг в развитии окраса, задействующий все три типа пигментных клеток.
Учитывая, что гормоны щитовидной железы (TH) играют важную роль в процессе метаморфозы, контролирующей рисунок пигментации у многих костистых рыб, вполне логично, что именно TH регулируют время образования белых полос во время метаморфозы рыб-клоунов.
Для проверки этой гипотезы были проведены тесты, в ходе которых личинки третей стадии развития подвергали воздействию различных концентраций (10-6, 10-7 и 10-8 M) активного гормона щитовидки T3. Спустя три дня после обработки с помощью T3 у подопытных наблюдалось более раннее появление белых полос, чем у особей из контрольной группы.
Изображение №3
Этот эффект ускорения зависел от дозы T3. Спустя три дня две полосы проявились у следующей доли подопытных: 0% — контрольная группа; 50% — при 10-8 M T3; 78% — при 10-7 M и 73% — при 10-6 М (3A—3E).
Далее был проведен подобный тест, но уже с блокированием TH посредством смеси MPI (метимазол, перхлорат калия и иопановая кислота). Обработанные личинки третей стадии развития демонстрировали девятидневную задержку в образовании белых полос по сравнению с контрольной группой (тестовая группа на 3H и контрольная на 3G). Около 75% особей из контрольной группы имели полосы на голове и туловище, из тестовой группы полосы были лишь у 15% особей, остальные остались без пигментного рисунка (3F). Белые полосы у рыб из тестовой группы все образовались, несмотря на блокировку TH, но лишь спустя 25 дней (3I).
Манипуляции с TH также повлияли и на пигментные клетки. Количество меланофоров значительно увеличилось в течение 48 часов после применения 10-6 M T3 (3J). А вот блокировка TH с помощью MPI приводила к практически незаметному снижению количества меланофоров спустя 48 и 72 часа после обработки (3J).
В совокупности результаты этих тестов говорят о том, что TH действительно контролируют время образования белых полос, а также влияют на пигментные клетки (иридофоры и меланофоры).
Для более точного определения того, как именно TH влияет на иридофоры, был выполнен анализ экспрессии генов иридофора (fhl2a, fhl2b, apoda.1, saiyan и gpnmb) после обработки личинок экзогенным TH.
Личинки третей стадии развития обрабатывали Т3 в различных концентрациях (10-6, 10-7 и 10-8 М) в течение 12, 24, 48 и 72 часов. Экспрессия изучаемых генов контролировалась с помощью нанострок в РНК, выделенной из целых личинок.
После обработки с помощью Т3 было выявлено куда больше транскриптов этих генов, чем в контрольной группе (без T3 обработки). В некоторых случаях (apod1a и gpnmb) этот эффект проявлялся через 12 часов, а в других (fhl2a, fhl2b и saiyan) только через 24 или 48 часов. Из этого следует, что TH влияет на экспрессию генов, которые, экспрессируются в иридофорах рыб-клоунов.
Далее ученые решили проверить, способствует ли TH дифференцировке иридофора. Для этого личинки третей стадии развития обрабатывали с помощью T3 (доза 10-6 M) в течение длительного времени. Так можно было сравнить молодняк на шестой стадии, когда у рыб-клоунов начинают развиваться полосы на голове и туловище.
Любопытно, что у молодняка из тестовой группы (T3 обработка) полосы полностью не сформировались, в отличие от контрольной группы. Детальный осмотр особей из тестовой группы выявил многочисленные эктопические иридофоры по бокам. У этих рыб также был менее яркий оранжевый окрас.
Обработка с помощью MPI привела к образованию полосок нормальной формы. Однако цвет был более тусклым из-за недостатка количества иридофоров или отложения кристаллического гуанина внутри иридофоров, обычно отвечающих за белый (или радужный) цвет полос (3I).
Эти результаты говорят о том, что экзогенный TH приводит к уменьшению оранжевой окраски и дефектам образования белых полос.
Изображение №4
Тем не менее обработка с помощью TH ускоряла процесс образования полос. Вспомним, что рыбы вида A. percula, живущие в актинии S. gigantea, формируют белые полосы быстрее, чем их сородичи, живущие в актиниях другого вида. Следовательно, между образованием полос, TH и местом обитания должна быть некая связь.
Для проверки этого ученые отобрали 12 особей размером 12-27 мм (одна белая полоса либо формируется, либо уже сформирована), живущих в S. gigantea (n = 6) и в H. magnifica (n = 6). Далее ученые измерили уровень TH каждой особи.
Сравнение показало, что концентрации Т3 были значительно выше у молодняка из S. gigantea, по сравнению с таковыми из H. magnifica (4A). Далее было проведено сравнение экспрессии генов у молодняка из H. magnifica (n = 3) и из S. gigantea (n = 3).
Из 19063 проанализированных генов только 21 был значительно больше экспрессирован у особей из S. gigantea, в то время как 15 были значительно больше экспрессированы у особей из H. magnifica (4B).
Среди дифференциально экспрессируемых генов обнаруживался ген duox, который кодирует двойную оксидазу, участвующую в продукции TH. Этот ген был сверхэкспрессирован у особей из S. gigantea по сравнению с особями из H. magnifica. Следовательно, скорость образования белых полос у A. percula связана с дифференциальным уровнем Т3, который, в свою очередь, связан с дифференциальной экспрессией duox.
На заключительном этапе ученые проверили, требуется ли duox для формирования рисунка иридофора. Для этого теста были использованы рыбки данио, у которых созревание иридофоров зависит от TH.
У личинок контрольной группы плотно упакованные иридофоры образовали один широкий промежуточный ряд, затем второй промежуточный ряд начал формироваться вентрально. У личинок с дефицитом duox развилась только одна более широкая промежуточная зона (4С).
В результате у большинства рыб из контрольной группы образовалось два полных промежуточных ряда, а у рыб с дефицитом duox лишь один (4D и 4E). Это говорит о том, что duox, предположительно действующий через TH, вносит вклад в определение времени появления межполосных участков иридофора и в формирование рисунка между полосами у рыбок данио.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые решили раскрыть тайну белых полос на теле рыб-клоунов. Оказалось, что этот незамысловатый окрас (особенно по сравнению с некоторыми другими рыбами) является результатом совместной работы нескольких важных факторов: генов, гормонов и даже актиний, в которых живут рыбы-клоуны.
Самое необычное наблюдение заключалось в том, что рыбки из одной популяции, но живущие в двух разных видах актинии по-разному формируют свой окрас (в аспекте времени). Сравнение генов этих рыб показало, что лишь 36 генов отличаются. Среди них ученые выделили ген duox, кодирующий одноименный белок, который задействован в формировании двойной оксидазы. Этот ген играет важную роль в образовании гормонов щитовидной железы (TH), которые в свою очередь влияют на скорость образования пигментных рисунков на теле рыб-клоунов.
Но почему рыбы из одной актинии «окрашиваются» быстрее, чем другие? Точного ответа ученые пока не готовы дать, но у них есть теория. Вероятно, актиния, в которой полосы на теле образуются быстрее, более токсична. Посему уровень гормонов щитовидной железы повышается в ответ на эту токсичность.
Сами ученые считают, что разница в скорости формирования полос у особей из одной популяции является лишь одним из многих признаков разной адаптационной тактики, которую используют рыбы для повышения эффективного сосуществования с актиниями. В дальнейшем они намерены провести еще более тщательный сравнительный анализ рыб, живущих в разных актиниях, чтобы выявить дополнительные отличия.
Природа кажется простой и незамысловатой: деревья растут, птички поют, пчелы жужжат и т.д. Но при детальном рассмотрении мы начинаем замечать, как много сложных процессов протекает в жизни даже самого маленького насекомого или самого распространенного растения. Все свойства, характеристики и качества, которыми обладает организм, являются результатом долгой и щепетильной эволюции, главной целью которой является выживание. И если организм хочет выжить в непрерывно меняющемся мире, он должен задействовать весь арсенал адаптационных талантов, от самых примитивных до самых сложных.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! 🙂
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
