Рыбы на службе у эволюционистов

Примерно 400 млн лет назад позвоночные стали осваивать сушу, что потребовало изменения конечностей. Грудные плавники древних рыб — предков первых тетрапод — сместились под брюхо и приподняли тело над землей. Чтобы плавники могли служить опорой, им самим понадобились поддерживающие элементы скелета, а кожный плечевой пояс отсоединился от черепа, увеличив подвижность головы и шеи.

Всё это, однако, предположения: ученые восстанавливают цепь эволюционных событий по ископаемым остаткам, а в коллекции окаменелостей не хватает переходных форм. Но недавно канадские исследователи из Университета Оттавы (University of Ottawa) и Университета МакГилла (McGill University) опытным путем подтвердили [1], что у рыб, которым нужно ходить по земле, строение скелета действительно меняется, причем именно так, как предполагали палеонтологи.

Конечно, для подобных экспериментов подходит не всякая рыба. Исследователи выбрали небольшую африканскую рыбку Polypterus senegalus, которой часто приходится путешествовать по суше из одного пересыхающего водоемчика в другой. У полиптеруса есть легкие, которые позволяют ему дышать атмосферным воздухом, удлиненное тело с плавниками, смещенными под брюхо, ромбовидные чешуйки, он принадлежит к группе лучеперых рыб (Actinopterygians). Все эти черты сближают P. senegalus с предками первых наземных четвероногих и делают прекрасным модельным объектом для изучения эволюционной пластичности рыб.

Плавая, полиптерус взмахивает грудными плавниками, слегка пошевеливая телом и хвостом. (рис. 1). Его передвижения по твердой поверхности с известной натяжкой можно назвать ходьбой, поскольку он переступает конечностями (грудными плавниками). Размах движения плавников при этом больше, чем при плаванье, причем время от времени рыбка опирается на них и приподнимает переднюю часть тела. Тело полиптеруса при ходьбе изгибается, задней частью он отталкивается, продвигаясь вперед (рис. 2).

Исследователи разделили несколько десятков юных полиптерусов на две группы и выращивали в разных условиях. Контрольная группа плавала в воде глубиной 21 см, экспериментальная жила в условиях влажной суши: толщина водного слоя 3 мм, атмосфера насыщена мелкой водяной пылью, чтобы рыбки не высохли.

Помещая этих всё-таки водных животных в наземную среду, нагрузив их кости и мышцы, исследователи ожидали, что скелет P. senegalus изменится аналогично скелету древних наземных животных. Спустя восемь месяцев полиптерусов из каждой группы выпускали поплавать в глубокой стоячей воде и поползать по мокрому пластику. Их движения снимали на видеокамеру, а с помощью компьютерной томографии оценивали изменения скелета.

Походка рыбок, выросших на «суше», была увереннее, чем у тех, кто взрослел в воде. Их плавники сдвинуты немного ближе к оси тела и меньше проскальзывают при ходьбе, шаг короче и тверже, нос большую часть времени приподнят над землей, ребра меньше трутся о землю. Благодаря этому P. senegalus, выросшие на суше, тратили на ходьбу меньше энергии. Среда, в которой они сформировались, сыграла огромную роль в их подготовке к наземному образу жизни. Однако «сухопутные» рыбки не разучились плавать — в глубокой воде движения представителей обеих групп почти не различались (рис. 3).

Анализ костей показал, что у «сухопутных» P. senegalus несколько сместились точки соединения костей грудного пояса и прикрепления мышц. Длина и форма костей также изменилась, в результате чего увеличилась амплитуда движений грудных плавников, а также подвижность головы и шеи, благодаря чему животные могут кормиться на берегу. Такие же изменения должны были произойти у древних рыб, выходивших на сушу в Девонском периоде.

Новая среда, в которой оказались рыбки, быстро изменила строение их плечевого пояса, что повлияло на их походку и поведение. Однако эти изменения не затрагивают гены и не наследуются. Исследователи, тем не менее, полагают, что столь оперативная реакция в ответ на быстрые и устойчивые изменения среды может способствовать макроэволюции.

Они планируют вырастить в наземной среде несколько поколений полиптерусов, чтобы определить, как пластичность их развития влияет на эволюцию признаков, связанных с эффективным передвижением по суше. Во всяком случае, у ученых появилась возможность экспериментально изучать процессы, происходившие на Земле 400 млн лет назад.

Наталья Резник

1. Standen E. M. et al. 2014. Developmental plasticity and the origin of tetrapods. Nature, 513: 54–58.