Исследование азиатских вьюнов выявило ключи к их способности ходить по суше

В исследовании, опубликованном в Journal of Morphology, команда ученых из Технологического института Нью-Джерси (NJIT), Флоридского музея естественной истории, Университета штата Луизиана и Университета Мэджо (Таиланд) восстановила родственные связи в семейном древе вьюнов Balitoridae. Впервые детально описаны необычные адаптации тазового пояса, которые позволили некоторым представителям этого семейства ползать или даже ходить по суше, подобно саламандрам.

Сравнительный ДНК-анализ семейства, которое в настоящее время включает более 100 видов из Южной и Юго-Восточной Азии, впервые включил Cryptotora thamicola — единственный известный вид рыб, способный ходить по суше шагающим паттерном, подобно тетраподам (четвероногим позвоночным, таким как рептилии и амфибии).

Результаты выявили три основных варианта анатомии таза в семействе, включая ключевые вариации прочного тазового пояса и удлиненного крестцового ребра. Исследователи полагают, что именно эти особенности объясняют разные степени способности к ходьбе по суше у этих рыб. Модифицированные тазовые структуры, обеспечивающие наземную локомоцию и наиболее выраженные у Cryptotora thamicola, могли развиться для повышения выживаемости в быстрых реках и водотоках, где обитают многие Balitoridae.

«Модифицированная морфология этих Balitoridae, особенно увеличенное крестцовое ребро, соединяющее тазовую пластину с позвоночным столбом, — большая часть того, почему изучение этого семейства так увлекательно», — говорит ведущий автор исследования Кэлли Кроуфорд, докторант NJIT. «Эти вьюны конвергентно развили структурные требования для поддержки наземной ходьбы, не встречающиеся у других рыб. Мы обнаружили три анатомические группы, которые имеют большое значение для биомеханики наземного передвижения. Родственные связи среди этих рыб предполагают, что способность адаптироваться к быстрым рекам, возможно, передавалась генетически, в большей степени, чем конкретная морфология сама по себе».

«Теперь, когда мы выявили спектр тазовых морфологий у этих рыб, мы можем сравнить степень скелетной поддержки с эффективностью ходьбы у конкретного вида», — добавляет руководитель исследования Брук Фламманг, доцент биологии NJIT. «Это позволит нам измерить механический вклад прочных бедер в наземную локомоцию».

В отличие от большинства рыб, у которых тазовые плавники расположены более передне и прикреплены к плечевому поясу, у Balitoridae обычно есть скелетное соединение между тазовой пластиной (базиптеригием) и позвоночным столбом через модифицированное крестцовое ребро и его дистальную связку. Считается, что эти модификации помогают генерировать усилие против земли, полезное для передвижения по суше. Самый крайний пример был обнаружен в 2016 году у Cryptotora thamicola, обитающей в быстрых водах карстовых пещерных систем Таиланда. Исследователи NJIT тогда впервые установили, что этот редкий вид использует прочный тазовый пояс, прикрепленный к позвоночнику, чтобы ходить и карабкаться по водопадам с походкой, подобной саламандре.

«Крестцовые ребра позволяют передавать силы от плавников, давящих на землю, к телу, так что каждый раз, когда плавник отталкивается во время шага, тело поднимается и движется вперед», — объясняет Фламманг. «Увеличенная площадь поверхности более модифицированных крестцовых ребер также предлагает больше места для прикрепления мышц, поэтому такие рыбы, как Cryptotora thamicola, могут вращать бедрами во время ходьбы, создавая походку, подобную саламандре».

Группы в семействе речных вьюнов

Для понимания эволюции семейства команда провела широкий анализ данных μКТ-сканирования 29 репрезентативных образцов, изучив и сравнив структуры скелета, морфологию мышц и форму крестцового ребра у 14 из 16 родов Balitoridae. Также были проанализированы геномные наборы данных 72 вьюнов из семи семейств для реконструкции эволюционных отношений внутри Balitoridae.

Результаты показали, что вьюны делятся на три отчетливых морфотипа, которые, как ожидается, коррелируют с их способностью передвигаться по суше:

1. Виды с длинным узким ребром, соединяющимся с тазовой пластиной.
2. Виды с более толстым, слегка изогнутым ребром, соединяющимся с тазовой пластиной.
3. Виды с прочным гребневидным ребром, сцепляющимся с тазовой пластиной.

Одиннадцать из изученных видов попали в третью категорию с развитыми способностями к ходьбе по суше. Cryptotora thamicola продемонстрировала самое прочное соединение крестцового ребра между базиптеригием и позвоночным столбом.

«Наш анализ показал, что морфотипы не группируются по близкородственным таксонам, а, напротив, разбросаны по филогении. Это указывает на то, что степень модификации этих признаков в меньшей степени отражает общее происхождение, а скорее является продуктом адаптации к режимам течения в их среде обитания», — пояснила Кроуфорд.

Следующим шагом команды является изучение физики устойчивости и мышечных сил, которые позволяют определенным видам отталкиваться от земли при ходьбе. После полевых работ в Таиланде для сбора дополнительных образцов исследователи изучают их с помощью высокоскоростной видеосъемки ходьбы рыб.