Сенсорная система плавников эволюционирует параллельно с их формой и механическими свойствами

Новое исследование Чикагского университета показывает, что сенсорная система в плавниках рыб эволюционирует параллельно с их формой и механическими свойствами и специально настроена на работу с характерным для вида плавательным поведением. Учёные обнаружили эту взаимосвязь у широкого спектра рыб, что позволяет предположить её наличие и у других животных.

Исследование, опубликованное 10 апреля 2017 года в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), объединило измерения формы плавников у сотен экземпляров семейства Labridae (губановые) с данными о механических свойствах плавников и нейронных ответах, записанных у восьми разных видов губанов. Эти данные были затем нанесены на эволюционное древо из 340 видов, чтобы определить, как механические свойства и нервная система плавников менялись со временем.

Эволюция формы и чувствительности

Для движения животные полагаются на сенсорную обратную связь от конечностей. Нервы в грудных плавниках рыб определяют положение лучей и степень их изгиба в воде, что помогает рыбе чувствовать скорость и относительное положение плавников.

Форма плавника, описываемая коэффициентом удлинения (aspect ratio, AR), напрямую влияет на тип движения. Высокий AR означает длинный, узкий, более «крылоподобный» плавник; низкий AR — широкий, округлый, «веслоподобный». Губаны с высоким AR машут плавниками для эффективного движения вперёд, а виды с низким AR используют гребные движения для маневрирования у дна.

Методология исследования

Учёные собрали данные по AR плавников у сотен видов Labridae из Филдовского музея и совместили их с генетической филогенией 340 видов, построенной по ДНК современных рыб. Это позволило отследить эволюцию формы плавников от предкового состояния и выявить картины конвергентной эволюции: высокий AR независимо возникал как минимум 22 раза.

Затем исследователи протестировали механические свойства и чувствительность сенсорной системы у четырёх пар близкородственных видов: с низким AR и с независимо развившимся высоким AR. Чувствительность измеряли по нейронному ответу нервов плавника на его изгиб разной степени.

Результаты и значение

Результаты показали функциональную связь:

• Низкий AR, веслоподобные плавники были более гибкими.
• Высокий AR, крылоподобные плавники — более жёсткими.
• Сенсорная система высоко-AR плавников оказалась более чувствительной, реагируя на меньшую величину изгиба.

Это говорит о совместной эволюции: более чувствительная нервная система развилась в высоко-AR плавниках, чтобы лучше реагировать на небольшие движения при использовании этих жёстких плавников для плавания.

Исследование — результат междисциплинарного сотрудничества, объединившего работу с музейными коллекциями, генетическую филогению и нейробиологические эксперименты.

Помимо понимания эволюционной оптимизации плавания у рыб, результаты могут быть полезны инженерам, разрабатывающим автономные подводные аппараты. Их двигательные системы должны быть эффективными и отзывчивыми, и лучшим источником вдохновения могут стать дизайны, отточенные эволюцией за миллионы лет.