3D-визуализация загадочной пещерной саламандры показала адаптации к жизни в темноте

Высокодетальные изображения головы исключительно пещерной слепой саламандры, протея (Proteus anguinus), демонстрируют эволюционно сформированные сенсорные органы. Протей — эволюционный шедевр с необычным набором адаптаций для выживания в лишённых света пещерах. Его внешний вид настолько уникален, что в XVII веке местные жители считали его детёнышем дракона. Исследование, проведённое международной коллаборацией под руководством чешских учёных Йозефа Кайзера и Маркеты Тесаровой, было направлено на получение детальной информации об этих необычных эволюционных изменениях. Учёные использовали рентгеновскую микротомографию (микроКТ) для создания впечатляющих 3D-реконструкций мягких тканей головы протея, что позволило напрямую увидеть масштабные изменения, произошедшие с саламандрой за время эволюции. Исследование опубликовано в журнале GigaScience.

Proteus anguinus обитает в абсолютно тёмных карстовых пещерах Центральной и Юго-Восточной Европы. Его также называют о́лмом или «человеческой рыбой». Работа раскрывает детали уникальных эволюционных механизмов протея. Поскольку изображения и 3D-модели являются цифровыми данными, учёные по всему миру могут получить к ним доступ и использовать в своих исследованиях, что особенно ценно, учитывая, что протей находится под угрозой исчезновения, а физические образцы почти невозможно передать. Опубликованная статья включает цветные 3D-реконструкции и удобную для изучения онлайн-модель (доступную также для просмотра в VR-шлеме), а также видеорезюме с живыми и анимированными изображениями.

Протей — крупнейшее пещерное четвероногое и единственная европейская амфибия, обитающая исключительно под землёй. Это хищное существо, питающееся мелкими ракообразными и заглатывающее добычу целиком. Часто отмечаемый как одно из животных с самыми странными адаптациями, он имеет змеевидный вид, лишён окраски и может жить до 100 лет. Одна из адаптаций к подземной среде — устойчивость к голоду, позволяющая выживать до 10 лет без еды. В отличие от большинства амфибий, которые во взрослом состоянии теряют жабры и выходят из воды, протей имеет и жабры, и лёгкие.

Для исследования учёные использовали технологию рентгеновской микроКТ-съёмки и 3D-моделирование нескольких образцов, включая изображения близкородственной наземной саламандры — аксолотля. Это дало исследователям данные для оценки изменений формы, размера и структуры органов протея.

Авторы отмечают широту возможностей для анализа:

«Мы получили доступ к нескольким коллекциям, чтобы охватить стадии развития от личинок до взрослых особей. Таким образом, данные можно использовать для изучения различий в развитии и эволюции между стадиями. Кроме того, доступность данных по протею и аксолотлю позволяет провести показательное сравнение между пещерными и наземными неотеническими саламандрами».

Предки протея жили на поверхности и имели функциональные глаза, но после перехода к жизни в тёмных пещерах давление отбора в пользу сохранения зрения исчезло. В результате зрительные органы протея малы и недоразвиты, что делает его слепым. Однако, как наследие предков, зачатки глаз присутствуют на ранних стадиях жизни, а потеря глаз происходит в процессе развития от ювенильной стадии к взрослой. Поскольку данные исследователей включают изображения голов как молодых, так и взрослых протеев, можно получить гораздо лучшее представление об изменениях в развитии и утрате зрения, включая изменения положения, формы и размера по мере взросления животного.

В эволюции может происходить утрата ненужных элементов, но если для выживания требуются новые механизмы, появляются физические или поведенческие изменения. У протея, лишённого зрения, другие сенсорные органы должны были измениться, чтобы позволить добывать пищу. Чтобы исследовать такие изменения, чешская группа провела микроКТ-сканирование на разных стадиях развития аксолотля для сравнения частей черепа и сенсорных органов. Новые данные микроКТ и 3D-моделирование обеспечивают такое высокое разрешение, что теперь можно рассмотреть мельчайшие детали этих изменений, а не только базовые, например, что орган обоняния у протея намного крупнее, чем у аксолотля.

Хотя исследования с использованием этих новых данных сосредоточены на изучении физических изменений, они также могут помочь в другой области эволюционных исследований — изучении поведенческих изменений, важных для выживания.

Автор Лючия Манчини из синхротронного центра Elettra Sincrotrone в Триесте (Италия) подчёркивает значимость методов визуализации с использованием электромагнитного излучения (синхротрона):

«Применение передовых 3D-технологий визуализации может дать представление о стратегиях жизни протея. Фактически, благодаря комбинированному использованию синхротронного и лабораторного анализа будущие исследования могут помочь смоделировать механизмы поведенческой адаптации, чтобы лучше понять использование среды обитания».

Её коллега Эдгардо Маури из Speleovivarium Erwin Pichl добавляет: «Данные позволят нам изучать перцептивные способности с помощью трёхмерных моделей и исследовать поведенческие реакции на химические сигналы, звуковые частоты или испускание сигналов».

Учитывая редкость протея, исследователям крайне сложно получить физические образцы. Теперь, когда эти ресурсы для визуализации доступны в совместно используемом цифровом формате, учёные по всему миру могут использовать их для получения новых знаний об эволюционных механизмах. Такие исследования, помимо нового фундаментального понимания того, как виды меняются со временем, в условиях изменения климата и его влияния на выживание видов, могут улучшить понимание эволюционных потребностей для выживания.