Уроки поедания рыбы чешуей озера Танганьика

Эта статья изначально была размещена на С Прессой. Эта статья адаптирована из книги Джеффри Маккиннона «Наши древние озера.“

Взгляните на любое социальное событие, и станет очевидно, что люди, как и все живые существа, различаются практически по всем признакам, которые можно увидеть или измерить. И благодаря нашей вновь обретенной способности секвенировать целые геномы тысяч видов, мы узнаем, что в нашей ДНК скрыто еще больше вариаций. Выяснение того, как сохраняются все эти вариации, было одной из величайших задач эволюционной биологии.

Поэтому приятно и даже удивительно, что в эпоху автоматизированное секвенирование ДНК и искусственного интеллекта, важный прогресс в решении этой давней проблемы был достигнут благодаря тщательным полевым исследованиям своеобразной рыбы из отдаленного древнего озера.

Наша история начинается в 1954 году на берегу озера Танганьика в тогдашнем Бельгийском Конго. бумага о рыбном рационе под названием «Любопытная экологическая «ниша» среди рыб озера Танганьика».

Авторы, биологи Жорж Марлье и Нарцисс Лелёп, описывают малоизученный вид рыб-цихлид. По их данным, взрослые особи питаются в основном чешуей других рыб, которую они отрывают от живой добычи грозными зубами. Марлье и Лелёп отмечают, что особи, которых они держали в аквариуме, не ели «дождевых червей, рыбный порошок или насекомых» или что-либо еще, кроме чешуи живой рыбы.

Несколько десятилетий спустя, в одном из первых исследований, тщательно изучавших эволюцию этого и нескольких родственных видов, выдающийся гарвардский биолог-рыбник Карел Лием и его соавтор Дональд Стюарт исследовали механизм того, как эти рыбы эволюционировали, чтобы питаться чешуей, уделяя особое внимание их челюстям и зубам. Они описали новый вид с особенно сильной латеральностью (особенно сильным поворотом головы влево или вправо) и предположили, что асимметрия формы черепов этих рыб связана с их жуткой диетой, что, вероятно, обеспечивает преимущество в питании. Они также отметили, что было одинаковое количество людей с правым и левым уклоном.

Лабораторная работа дала важные выводы, но это было долгосрочное полевое исследование, появившееся в 1993 году в Наука и под руководством Мичио Хори, это начало объяснять сохранение латерализации как левого, так и правого рта у пожирателей чешуи Танганьики. На протяжении большей части десятилетия я представлял работу, описанную в этой статье, каждый раз, когда преподавал курс эволюции студентам-биологам. Это буквально учебник по учебнику.

Когда Мичио Хори буксировал добычу рыбы за лодку и ловил диких чешуеядов после того, как они ударили ее, особи, атакующие справа, всегда имели рот, повернутый влево.

Хори обнаружил, что его изучаемое животное, Периссод микролепис, обычно атакует, нанося жертве удары по бокам тела, приближаясь сзади, чтобы быть менее заметной. Когда он буксировал рыбу-жертву за лодку и ловил диких чешуеядов после того, как они ударили ее, у особей, атакующих справа, рот всегда был повернут влево, тогда как у особей, атакующих слева, рот всегда был повернут вправо. Он также смог идентифицировать масштабы, от Периссод желудки, как происходящие с левой или правой стороны добычи, в зависимости от структуры их пор. Как и в случае с наблюдениями за забастовками, рыбы с повернутым вправо ртом съедали чешую с левой стороны своей добычи, а пожиратели чешуи с закрученным влево ртом съедали чешую с правой стороны.

Но почему популяция пожирателей чешуи демонстрирует такое исключительное разнообразие: рты одних особей заметно искривлены вправо, а другие — влево?

Ответ Хори-частотная зависимость— и доказательства, которые он собрал в подтверждение этого, стали причиной того, что статья привлекла постоянное внимание. Частотная зависимость возникает, когда редкие черты или стратегии более успешны, чем распространенные. Этот принцип прекрасно иллюстрируется на примере спорта.

Когда между людьми происходят прямые состязания, участник/участник может получить преимущество имея стратегию, незнакомую противникам. Например, фехтовальщики-левши, которые обычно встречаются реже, будут знакомы с атаками и защитой противников-правшей, поскольку правши встречаются часто. Но у правшей будет меньше опыта, чем у левшей, что дает редким левшам преимущество. Следовательно, левши встречаются чаще среди соревнующихся фехтовальщиков, чем среди населения в целом. То же самое касается крикета, бейсбола, настольного тенниса и боевых искусств. В этих высокоинтерактивных видах спорта (и других) преимуществом является менее распространенная латеральность — быть левшой. Успех зависит от частоты, если быть точным, отрицательно: по мере того, как частота увеличивается, успех снижается, а когда частота снижается, успех увеличивается.

Хори предположил, что пожиратели чешуи немного похожи на фехтовальщиков. Если бы пожиратели чешуи всегда нападали с одной стороны, скажем, справа, их добыче пришлось бы защищаться только от предсказуемых атак с одного направления и, вероятно, она могла бы делать это эффективно. Любой редкий пожиратель чешуи, кусающий слева, в этой ситуации должен особенно хорошо действовать против неподготовленной добычи. Конечно, поскольку левши становятся все более распространенными, добыча должна соответствующим образом переключить свое внимание. Таким образом, ситуация должна привести к частотной зависимости и постоянному присутствию в популяции как левых, так и правых пожирателей чешуи, примерно на уровне пятьдесят на пятьдесят.

Хори смог проверить частотную зависимость, воспользовавшись естественными взлетами и падениями относительной численности рыб с повернутым вправо или влево ртом. Примерно каждые 2,5 года популяция менялась от преимущественно левосторонних рыб к преимущественно рыбам с правозакрученным ртом. Глядя на шрамы на боках жертвенной рыбы, Хори смог оценить относительный успех менее распространенной морфы. Он обнаружил, что, как и ожидалось, какой бы тип поворота ни был менее распространенным, он оставлял больше шрамов и достигал более успешных укусов, при этом показатели успеха меняются, когда частота редкого морфа увеличивается и он становится многочисленной разновидностью.

Хори также сделал вывод о генетической основе латерализации рта на основе своих полевых исследований, предположив, что один ген с двумя генетическими вариантами может объяснять большую часть изменений в направлении скручивания с преобладанием правого скручивания. Последующие исследования в других лабораториях предоставили дополнительные доказательства того, что латеральность в некоторой степени передается по наследству, но не обязательно через единственный ген, отвечающий за форму головы. Напротив, гипотеза частотной зависимости была однозначно поддержана смелое исследование это столь же элегантно спроектировано, сколь и сложно с точки зрения логистики.

В 2018 году исследователи из Базельского университета провели один из очень немногих полевых экспериментов с цихлидами Великих африканских озер. Они разместили серию подводных вольеров на глубине от шести до девяти метров на дне озера Танганьика. В каждом вольере обитали хищные рыбы и цихлиды, питающиеся чешуей, либо все левши, либо все правые, либо смесь этих двух видов пятьдесят на пятьдесят, но всегда одинаковое общее количество добычи и чешуеядов.

Поскольку атаки происходят предсказуемо с одной стороны, жертва во всех вольерах с левым или правым поворотом, как они ожидали, сможет избежать пожирателей чешуи лучше, чем при сочетании правых и левых поворотов. Периссод. По той же логике, Периссод пожиратели чешуи добились наибольшего успеха в кормлении в смешанной группе — и это действительно было так. К концу трехдневного эксперимента рыбы-жертвы, которых содержали как левши, так и пожиратели чешуи, повернутые вправо, в среднем потеряли больше чешуи, а у пожирателей чешуи с большей вероятностью чешуя осталась в пищеварительном тракте.

Для тысяч нас, любителей цихлид, разбросанных по всем континентам, кроме Антарктиды, эти открытия интригуют просто потому, что они раскрывают немного больше о тонкостях жизни этих любимых рыб. Но эта работа представляет гораздо более широкий интерес и значение.

Во-первых, излучения (термин эволюционной биологии, обозначающий диверсификации) цихлида Рыба в Великих африканских озерах Танганьика, Малави и Виктория является наиболее необычным адаптивным проявлением любого позвоночного, а также неотложным приоритетом сохранения. В каждом озере один или очень немногие предки быстро диверсифицировались, в результате чего появилось примерно от 240 (Танганьика) до 850 (Малави) новых видов. Виктория, самая молодая, самая примечательная, потому что около 20 000 лет назад она почти полностью высохла, оставив после себя лишь болота. С момента повторного наполнения несколько тысяч лет спустя в этом самом озере развилось около 500 видов цихлид. Эти виды использовали древнюю генетическую изменчивость, которая сохранялась в основном у небольших групп обитателей болот, а также у рыб из близлежащей Западной рифтовой долины, которые гибридизировались или скрещивались, чтобы дать начало нынешней адаптивной радиации.

Учитывая существующее вымирание цихлид и многочисленные антропогенные нагрузки на эти озера, эти выводы имеют решающее значение для их сохранения.

Важность гибридизация Это излучение является одним из удивительных результатов, полученных в результате изучения африканских озер и других древних озерных систем, но также важна и важность «постоянных генетических вариаций» внутри популяций и видов. Таким образом, понимание процессов, которые поддерживают генетическую изменчивость внутри вида, таких как частотная зависимость, также важно для понимания того, как произошла наиболее быстрая диверсификация у любого позвоночного. Учитывая, что цихлид уже было много вымирания в одном из озер, Виктория, и все они переживают неприятную смесь антропогенных стрессыэти идеи, вероятно, будут важны и для сохранения природы.

Открытие и исследование процессов, ответственных за замечательные вариации, которые мы наблюдаем при секвенировании все большего количества геномов, также важно для здоровья человека. Например, ключевая причина, по которой трансплантация органов является общеизвестно трудной, заключается в сильно варьирующихся генах гистосовместимости, которые наша иммунная система использует для распознавания потенциальных угроз. Они развивались через коэволюционный процессы, очень похожие на эволюционное танго пожирателей чешуи и их добычи. За исключением этого случая, это между нами (хозяевами) и паразитами, которые нас беспокоят.

Таким образом, наши судьбы связаны с судьбами других существ не только через наши многочисленные экологические связи, но и через эволюционные процессы, которые формируют мир природы и самым глубоким образом влияют на нашу жизнь — процессы, которые опосредуют обе частоты поедания чешуйчатых цихлид. и прослужит ли пересаженная почка своему новому реципиенту всего несколько трудных недель или много здоровых лет.

---

Джеффри Маккиннон — профессор биологии в Университете Восточной Каролины. Его исследования привели его на все континенты, кроме Антарктиды, и публиковались в таких журналах, как Nature и American Naturalist. Он является автором «Наши древние озера: естественная история», на основе которого адаптирована эта статья.