Мутные воды Амазонки влияют на зрение рыб
Цихлиды — чрезвычайно разнообразное семейство рыб. Многие африканские пресноводные виды известны своей сложной зрительной системой. Их сложное зрение — результат разнообразного набора зрительных пигментных белков (опсинов) в сетчатке: в то время как у человека есть гены для производства трёх таких белков, у многих цихлид их семь. Каждый вид африканских цихлид производит определённый набор опсинов, который хорошо соответствует световому спектру их среды обитания.
Зрительные системы африканских цихлид, эволюционировавших в спокойных, чистых озёрах, насыщенных солнечным светом, изучены довольно хорошо. Однако новое исследование Университета Мэриленда и Университета штата Сан-Паулу в Бразилии впервые изучило зрение цихлид, обитающих в мутных, илистых водах бассейна Амазонки в Южной Америке. Исследователи обнаружили, что у трёх выбранных амазонских видов несколько генов опсинов были отключены или полностью утрачены.
Исследование, опубликованное 20 декабря 2016 года в журнале Molecular Ecology, описывает, как три вида амазонских цихлид адаптировались к мутной световой среде бассейна Амазонки, где преобладают более длинные волны света, такие как красный и оранжевый. Южноамериканские и африканские цихлиды разошлись от общего предка около 100 миллионов лет назад, после разделения суперконтинента Гондвана. Важные изменения окружающей среды направили южноамериканских цихлид по пути, очень отличному от их африканских родственников.
«В чистой воде лучше всего передаются короткие волны. Вот почему океаны и большие глубокие пресноводные озёра, подобные некоторым африканским, кажутся зелёными и синими. Но в таких реках, как Амазонка, много ила и органических веществ, которые блокируют короткие волны», — сказала Карен Карлтон, профессор биологии в UMD и старший автор исследования. «Мы обнаружили, что этих различий достаточно, чтобы вызвать у амазонских видов потерю или отключение некоторых опсинов, обнаруживающих короткие волны».
Коллеги Карлтон из Университета штата Сан-Паулу под руководством Сезара Мартинса секвенировали геномы трёх амазонских видов, популярных в аквариумной торговле: скалярии (Pterophyllum scalare), дискусов (Symphysodon discus) и астронотуса (Astronotus ocellatus). Из семи генов опсинов, известных у африканских цихлид, один ген опсина был полностью утрачен у всех трёх амазонских видов. Кроме того, другие гены опсинов были отключены по крайней мере у одного вида.
Затем команда Карлтон в UMD определила, какие гены были включены для производства белков опсинов у этих видов. Хотя механизмы потери генов или изменения регуляции немного различались у каждого вида, исследователи обнаружили, что все три вида экспрессировали одни и те же три белка опсина. Этот конкретный набор белков опсинов особенно хорошо подходит для красных и оранжевых длин волн света, которые доминируют в водах Амазонки.
«Южноамериканские цихлиды не так разнообразны, как их африканские родственники. Но они всё равно очень красочные, что делает их популярными в аквариумной торговле», — сказал Даниэль Эскобар-Камачо, аспирант биологических наук в UMD и первый автор исследования. «Мне интересно узнать больше о том, как они воспринимают мир».
Эскобар-Камачо и Карлтон были удивлены, обнаружив, что все три вида полностью потеряли гены.
«У трёх разных родственных видов каждый, казалось, терял гены по-разному, — сказала Карлтон. — Это было не одно событие в далёком прошлом — каждый вид, по-видимому, приобрёл эту чувствительность специфическим образом. Мы узнаём, что генетика зрения невероятно разнообразна. Гены, кажется, появляются и исчезают гораздо быстрее, чем я ожидала».
Эскобар-Камачо планирует изучать зрение у другой группы южноамериканских рыб: харацинообразных (Characiformes), к которым относятся пираньи и неоновая тетра. Он также хотел бы продвинуть эту работу с цихлидами дальше.
«Я хотел бы доказать, что у цихлид есть цветовое зрение. Мы показали это с точки зрения молекулярной биологии: у них есть гены опсинов, и они экспрессируют пигментные белки, — сказал Эскобар-Камачо. — Но я хочу пойти дальше и доказать это поведенчески. Я работаю над тем, чтобы научить рыб различать один цвет от другого».