Геномы электрических рыб показывают, как эволюция повторяется

Электрический угорь - один из нескольких видов пресноводных рыб в Южной Америке, которые вырабатывают электричество для навигации, общения, охоты или самозащиты. Рыбы в Африке независимо развили электрические органы, которые поразительно похожи, хотя молекулярные детали их работы различны.

Вдоль темного дна реки Амазонки змеевидные рыбы, называемые электрическими угрями, рыщут во мраке в поисках неосторожных лягушек или другой мелкой добычи. Когда один из них проплывает мимо, рыба выпускает два 600-вольтовых импульса электричества, чтобы оглушить или убить его. Эта тактика охоты на высокое напряжение отличается, но несколько других видов рыб также используют электричество: они генерируют и ощущают более слабые напряжения при навигации в мутных, медленно движущихся водах и при общении с другими представителями своего вида с помощью мягких ударов, похожих на азбуку Морзе.

Абстракции ориентируют многообещающие идеи в науке и математике. Путешествуйте вместе с нами и присоединяйтесь к разговору.

Недавняя статья, опубликованная в журнале Science Advances, помогает разгадать эту эволюционную тайну. “На самом деле мы просто следим за Дарвином, как и большинство биологов”, - сказал Гарольд Закон, интегративный биолог из Техасского университета в Остине и соавтор исследования. Собирая воедино геномные подсказки, его команда из Техаса и коллеги из Мичиганского государственного университета выяснили, как ряд поразительно похожих электрических органов возник у линий электрических рыб, разделенных примерно 120 миллионами лет эволюции и 1600 милями океана. Как выясняется, существует более одного способа эволюционировать электрический орган, но у природы есть несколько любимых трюков, к которым можно прибегнуть.

Южноамериканские и африканские рыбы, которых изучает группа Закона, получают свой zap от специализированных электрических органов, простирающихся вдоль большей части их тела. Модифицированные мышечные клетки, называемые электроцитами, в органах создают градиенты ионов натрия. Когда белки натриевых ворот в мембранах электроцитов открываются, это вызывает всплеск тока. “Это самый простой сигнал, который вы могли себе представить”, - сказал Закон.

В мышцах эти электрические сигналы проходят через клетки и между ними, помогая им сокращаться при движениях, но в электрических органах напряжение направлено наружу. Сила каждого удара зависит от того, сколько электроцитов срабатывает одновременно. Большинство электрических рыб стреляют всего по нескольку раз за раз, но поскольку электрические угри содержат необычно большое количество электрических элементов, они могут испускать напряжение, достаточно мощное, чтобы убить мелкую добычу.

В новой работе Закон, его бывший научный сотрудник Сара ЛаПотин (ныне докторант Университета Юты) и другие его коллеги реконструировали ключевой аспект эволюции этих электрических органов, проследив геномную историю рыб.

Это началось между 320 и 400 миллионами лет назад, когда предок всех рыб, классифицированных как костистые, пережил редкую генетическую аварию, которая дублировала весь его геном. Дупликации всего генома часто смертельны для позвоночных. Но поскольку они создают избыточные копии всего в геноме, дублирование может также открыть ранее неиспользованные генетические возможности. “Внезапно у вас появилась возможность создать целый новый путь вместо одного нового гена”, - сказал Гэвин Конант, системный биолог из Университета штата Северная Каролина, который не принимал участия в исследовании.

Исследователь Гарольд Закон из Техасского университета в Остине стоит возле рельефной скульптуры Чарльза Дарвина.

Гарольд Закон, интегративный биолог из Техасского университета в Остине, был одним из лидеров нового исследования эволюции электрических рыб. “На самом деле мы просто следим за Дарвином, как и большинство биологов”, - сказал он.

Автор: Линн Макэнелли

Для более поздних предков современных пресноводных электрических рыб, которые являются костистыми, дублирование означало, что у них была дополнительная копия гена для важного натриевого насоса. Одна копия продолжала работать в мышечных клетках; вторая приобрела мутации, которые придавали электроцитам отличительные электрические свойства.

Но что крайне важно, прежде чем можно было бы принять какие-либо электрические органоспецифические адаптации, эта вторая копия гена сначала должна была быть деактивирована в мышечных клетках — в противном случае возникающие электроцитарные способности мешали бы движению. И когда Закон и его коллеги посмотрели на то, как электрическая рыба отключила ген, они были удивлены, обнаружив, что разные линии электрических рыб делали это по-разному.

Внутри мышцы рыбы-зебры (слева) флуоресцентная зеленая метка показывает сильную волну электрической активности, возникающую из-за натриевого насоса в клетках. В мышцах южноамериканской электрической рыбы (справа) активность намного слабее, потому что эволюция электрических органов началась с подавления насоса в мышцах.

Мэри Шварц и Иоганн Эберхарт

Часто, когда ученые исследуют случай конвергентной эволюции, оказывается, что признаки возникают по существу по одному и тому же механизму, объяснил Иоганн Эберхарт, молекулярный биолог из Техасского университета в Остине и один из соавторов нового исследования. “Но это было совсем по-другому”, - сказал он. “И я думаю, что это захватывающе”.

Конант отметил, что новые результаты “в некотором роде отражают то, что мы видели” в исследованиях его собственной группы. Его лаборатория обнаружила, что, в то время как другие костистые рыбы потеряли определенные повторяющиеся гены для передачи сигналов между нервами и мышцами, некоторые линии электрических рыб сохранили их. Без этих ключевых генов, ставящих их электрические органы под прямой добровольный контроль, электрические угри не смогли бы развить свой фирменный мощный зап.

Закон и его коллеги также заинтригованы потенциальной значимостью контрольной области, которую они обнаружили в генах натриевой помпы, поскольку она, по-видимому, точно определяет, какие ткани экспрессируют белок. Такая же контрольная область появляется в натриевых насосах людей и других позвоночных. Вполне возможно, что мутации, влияющие на насосную активность в наших клетках, могут вызывать или способствовать различным проблемам со здоровьем, таким как состояние мышечной слабости, называемое миотонией.

Бактерии используют мозговые импульсы электричества для общения

Новое исследование затрагивает лишь несколько примеров конвергенции и дивергенции, демонстрируемых у электрических рыб. Некоторые южноамериканские линии производят слабые удары, используя модифицированные нейроны вместо модифицированных мышечных клеток. Некоторые электрические рыбы в океанах разработали более причудливые стратегии поражения электрическим током; звездочет, например, применяет удары от модифицированных мышц в глазах.

Но для Закона именно конвергентные решения наиболее полезны при решении фундаментальной загадки биологии: если бы вы могли перемотать ход эволюции назад, повторился бы он таким же образом? Видеть уникальную инновацию “увлекательно”, сказал он, но “это не дает ответа на вопрос:"Был ли только один способ добраться туда?” Сочетание конвергенции и дивергенции, наблюдаемое в системах органов, подобных системам разнообразных электрических рыб, дает гораздо более полное представление о том, насколько предсказуемой — и причудливой — может быть биология.

источник: