Удивительные адаптации у электрических рыб Амазонки
Исследование слабоэлектрических рыб из удалённого района бассейна Амазонки в Бразилии не только показало, как редкая рыба адаптировалась к жизни в пещерах за десятки тысяч лет, но и впервые выявило способность этих рыб взаимодействовать на больших расстояниях — аналогично AM-радио.
В работе, опубликованной в журнале Frontiers, учёные описали, как пещерный вид стеклянных ножетелок (Eigenmannia vicentespelea), насчитывающий около 300 особей, эволюционировал от своих родственников, обитающих на поверхности (Eigenmannia trilineata). Пещерная рыба потеряла глаза и пигментацию, но приобрела более мощные электрические органы, усилив способность ощущать добычу и общаться в полной темноте.
Анализ коммуникации и поведения рыб показал, что слабоэлектрические рыбы используют для передачи сообщений на расстояние особый канал — изменения амплитуды электрических сигналов. Исследователи адаптировали знаменитую фразу Эйнштейна о квантовой запутанности — «жуткое дальнодействие» — чтобы описать, как рыбы воспринимают эти социальные сигналы и меняют поведение друг друга на расстоянии до нескольких метров.
Из почти 80 известных видов пещерных рыб, эволюционировавших от поверхностных, все развили сенсорные улучшения для жизни в пещерах, обычно адаптируясь миллионы лет и теряя ненужные органы чувств.
Однако биологи задавались вопросом, как адаптируются слабоэлектрические рыбы, использующие электрическое чувство для навигации в тёмных и мутных водах Амазонки: либо усиливая электрическое зрение для жизни в абсолютной темноте, либо ослабляя электрические поля для экономии энергии в условиях скудных пищевых ресурсов пещер.
«Один из главных вопросов о рыбах, успешно адаптировавшихся к жизни в пещерах, — как они приспосабливаются к жизни без света», — сказал ведущий автор исследования Эрик Форчун, биолог из Технологического института Нью-Джерси (NJIT). — Мои коллеги разделились на две группы... одна предсказывала, что электрические поля пещерной рыбы будут слабее из-за ограниченных пищевых ресурсов, а другая ставила на то, что поля будут сильнее, позволяя рыбам использовать свои электрические сигналы, чтобы лучше "видеть" и "общаться" в полной темноте пещеры.
Похоже, что использование электрического чувства для обнаружения добычи и коммуникации весьма ценно для этих животных; у них более сильные электрические поля. Интересно, что наш анализ их электрических полей и движений показывает, что они могут общаться на расстоянии метров, что довольно далеко для рыб длиной около 10 см».
«Почти все исследования пещерных рыб до сих пор ограничивались поведенческими экспериментами в лабораториях, и поэтому это исследование особенное», — сказала Дафна Соарес, соавтор исследования и доцент биологии в NJIT. — «Это первый раз, когда мы смогли непрерывно наблюдать за поведением пещерных рыб в их естественной среде в течение нескольких дней. Мы получили большое представление об их нервной системе и специализированных адаптациях к пещерной жизни, но не менее увлекательно узнать, насколько они общительны и "болтливы" друг с другом... это как средняя школа».
«Жуткие» взаимодействия и поразительные адаптации
В исследовании учёные из NJIT и Университета Джонса Хопкинса сотрудничали с биологом Марией Элиной Бичуэтти из Федерального университета Сан-Карлоса, которая начала изучать эти две группы рыб почти два десятилетия назад в удалённой пещерной системе Сан-Висенте II в бассейне Верхнего Токантинс в Центральной Бразилии.
В течение нескольких дней команда применяла специальную методику отслеживания, размещая сетки электродов в среде обитания рыб для записи и измерения электрических полей, генерируемых каждой рыбой. Это позволило проанализировать движения и социальные взаимодействия на основе электричества.
Исследователи отследили более 1000 социальных взаимодействий на основе электрических сигналов за 20-минутные записи, сделанные как у поверхностных, так и у пещерных популяций, обнаружив сотни специализированных дальних обменов.
«Когда я начала изучать этих рыб, мы могли наблюдать поведение, связанное с их уникальной и специализированной морфологией, но в этом проекте было увлекательно применить новые технические подходы, чтобы раскрыть, насколько сложной и утончённой может быть их коммуникация», — сказала Бичуэтти.
«По сути, наши данные показывают, что рыбы "разговаривают" друг с другом на расстоянии с помощью электричества, используя скрытый канал — амплитудную модуляцию, возникающую при суммировании их электрических сигналов. Это похоже на то, как работает AM-радио, которое основано на амплитудной модуляции радиосигнала», — сказал Форчун.
Записи также показали, что сила электрических разрядов у пещерных рыб примерно в 1.5 раза больше, чем у поверхностных, несмотря на то, что это обходится им в до четверти общего энергетического бюджета. КТ-сканирование обоих видов показало, что у пещерных рыб также относительно более крупные электрические органы, что может объяснять источник их дополнительной электрической мощности.
Ещё одним следствием обмена глаз и жизни на поверхности на усиленное электрочувствительное восприятие стала повышенная социальность и территориальность пещерных рыб в любое время суток. В отличие от своих поверхностных родственников, которые спят днём и кормятся ночью, у пещерных рыб отсутствовал суточный цикл.
На данный момент открытие дальних взаимодействий рыб в стиле AM-радио является первым в своём роде среди электрических пещерных рыб. Однако, как отмечает Форчун, похожие явления теперь сообщаются и у некоторых других видов, например, недавно исследователями из Германии у группы рыб Apteronotus. Это открытие может иметь значение для нейробиологии, где слабоэлектрические рыбы являются уникальной и мощной моделью для изучения связи мозга и тела у других животных, включая человека.
«Электрические рыбы — отличные системы для понимания нейронной основы поведения, поэтому мы изучаем их мозг десятилетиями, — сказал Форчун. — Эти новые данные заставляют пересмотреть нейронные цепи, используемые для контроля поведения этих рыб».