Małe, bezbarwne i ślepe, jaskiniowe ryby amblyopsidów zamieszkują podziemne wody na terenie wschodnich Stanów Zjednoczonych. W nowym badaniu badacze z Yale ujawniają wgląd w to, jak te charakterystyczne mieszkańcy jaskiń ewoluowały – oraz dostarczają unikalną metodę datowania ekosystemów podziemnych, gdzie przebywają.
W analizie genomów wszystkich znanych gatunków amblyopsidów, badacze stwierdzili, że różne gatunki kolonizowały systemy jaskiń niezależnie od siebie i oddzielnie ewoluowały podobne cechy – takie jak utrata oczu i pigmentu – gdy przystosowywały się do ciemnych środowisk jaskiń.
Ich odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Molecular Biology and Evolution.
Rozważając mutacje genetyczne, które spowodowały degenerację oczu ryb, badacze opracowali pewnego rodzaju zegar mutacyjny, który pozwolił im oszacować, kiedy każdy gatunek zaczął tracić wzrok. Odkryli, że geny związane z widzeniem najstarszego gatunku jaskiniowego ryby, ryby z jaskini Ozark (Troglichthys rosae), zaczęły degenerować się nawet 11 milionów lat temu.
Technika ta dostarcza minimalnego wieku jaskiń, które ryby skolonizowały, ponieważ ryby musiały zamieszkiwać podziemne wody, gdy ich zdolność do widzenia zaczęła się pogarszać, powiedzieli badacze.
„Starożytne ekosystemy podziemne wschodniej Ameryki Północnej są bardzo trudne do zdatowania za pomocą tradycyjnych technik datowania jaskiń, które są niewiarygodne po górnym limicie około 3 do 5 milionów lat” – powiedział Chase Brownstein, student w Yale na Wydziale Sztuk i Nauk Humanistycznych, w Katedrze Ekologii i Biologii Ewolucyjnej, współautor badania. „Określenie wieku liniom ryb dostosowanych do jaskiń pozwala nam wywnioskować minimalny wiek jaskiń, których zamieszkują, ponieważ ryby nie zaczęły tracić wzroku, mieszkając w szerokim świetle dziennym. W tym przypadku oszacowujemy minimalny wiek niektórych jaskiń na ponad 11 milionów lat.”
Maxime Policarpo z Instytutu Maxa Plancka ds. Inteligencji Biologicznej oraz Uniwersytetu w Bazylei jest współautorem.
W ramach badania badacze odtworzyli uwzględniające czas drzewo ewolucyjne dla amblyopsidów, które należą do starożytnego, biednego gatunkowo rzędu ryb słodkowodnych zwanych Percopsiformes, korzystając z zapisu kopalnego oraz danych genomowych i skanów o wysokiej rozdzielczości wszystkich żyjących odpowiednich gatunków.
Wszystkie gatunki jaskiniowych ryb mają podobną anatomię, w tym wydłużone ciała i spłaszczone czaszki, a ich płetwy miedniczne zostały utracone lub poważnie zmniejszone. Swampfish (Chologaster cornuta), siostra linii ryb jaskiniowej, która zamieszkuje mętne wody powierzchniowe, także ma spłaszczoną czaszkę, wydłużone ciało i brak płetwy miednicznej. Podczas gdy utrzymuje wzrok i pigment, występuje zmiękczenie kości w okolicach oczu, które znikają u ryb jaskiniowych. Sugeruje to, że ryby jaskiniowe wyewoluowały z wspólnego przodka, który już był przystosowany do życia w niskich warunkach oświetleniowych, powiedział Brownstein.
Aby zrozumieć, kiedy ryby z jaskiń zaczęły zasiedlać jaskinie – co jest niemożliwe do określenia z gałęzi drzewa ewolucyjnego – badacze przeanalizowali genomy ryb, badając 88 genów związanych z widzeniem pod kątem mutacji. Analiza wykazała, że różne linie jaskiniowych ryb miały zupełnie różne zestawy mutacji genetycznych zaangażowanych w utratę wzroku. To, powiedzieli, sugeruje, że odrębne gatunki skolonizowały jaskinie i dostosowały się do tych podziemnych ekosystemów niezależnie od siebie.
Następnie badacze opracowali metodę obliczania liczby pokoleń, które minęły od czasu, gdy gatunki ryb jaskiniowych zaczęły się przystosowywać do życia w jaskiniach, tracąc funkcjonalne kopie genów związanych z widzeniem.
Ich analiza sugeruje, że adaptacje do jaskiń wystąpiły między 2,25 a 11,3 miliona lat temu u ryb z jaskini Ozark oraz między 342 000 a 1,70 miliona lat temu (minimalnie) i od 1,7 do 8,7 miliona lat temu (maksymalnie) dla innych linii jaskiniowych ryb. Wyniki potwierdzają wniosek, że co najmniej cztery linie amblyopsidów niezależnie kolonizowały jaskinie po ewolucji ze swoich przodków zamieszkujących powierzchnię, powiedzieli badacze.
Maksymalne wieki przekraczają zakresy tradycyjnych metod datowania jaskiń, które obejmują analizę izotopów kosmogenicznych produkowanych w skałach i glebach przez promieniowanie kosmiczne, zauważyli badacze.
Wyniki sugerują również potencjalne implikacje dla zdrowia człowieka – powiedział Thomas Near, profesor ekologii i biologii ewolucyjnej na Wydziale Sztuk i Nauk Humanistycznych (FAS) na Uniwersytecie Yale i główny autor badania.
„Wiele z mutacji, które obserwujemy w genomach ryb jaskiniowych, prowadzących do degeneracji oczu, jest podobna do mutacji powodujących choroby oczu u ludzi” – powiedział Near, który jest również Binghamskim Kuratorem Oceanografii Ichtiooogii w Muzeum Peabody’ego na Uniwersytecie Yale. „Istnieje możliwość translacyjnej medycyny, poprzez którą badając ten naturalny system w rybach jaskiniowych, możemy uzyskać wgląd w genomowe mechanizmy chorób oczu u ludzi.”
Pozostali współautorzy to Richard C. Harrington z Departamentu Zasobów Naturalnych Karoliny Południowej, Eva A. Hoffman z Muzeum Historii Naturalnej w Ameryce, Maya F. Stokes z Uniwersytetu Stanu Floryda oraz Didier Casane z Uniwersytetu Paris-Cité.
