Галопирующая эволюция морского конька

О мужской «беременности», медленной скорости плавания и быстрой эволюции самых (на наш человеческий взгляд) несуразных иглообразных, о превращении зебры в коня (в их рыбьем варианте, конечно) рассказывает Indicator.Ru.

Генетики из Германии, Китая и Сингапура секвенировали (прочитали) геном тигровохвостого морского конька (Hippocampus comes) и выяснили, что стремительная эволюция этих существ, сделавшая их непохожими на других рыб, основана на удвоении одних участков генома и потере других, о чем исследователи написали в своей статье в журнале Nature.

Лошадиная фамилия

Родовое латинское название коньков — Hippocampus — пришло из древнегреческого и означает «морское чудище-лошадь». Сам факт отношения к рыбам морского конька, похожего на шахматного коня с хвостом хамелеона, кажется невероятным, учитывая его диковинную внешность и причудливое поведение. Костистая рыба из семейства морских игл со странной формой туловища, без чешуи, зубов, брюшного плавника, даже без настоящего хвоста, но зато имеющая круги костяных пластин (специфичные для каждого вида), действующий как насос рот-трубочку, шею и цепкий «хвост», которым можно держаться за водные растения, — так выглядит этот необычный представитель подводного мира.

Надо сказать, ведет он себя не менее экстравагантно. Несмотря на то, что плавают морские коньки медленнее всех рыб в океане (рекорд принадлежит карликовому коньку, который развивает скорость полтора метра в час), в странностях поведения угнаться за ним не могут даже их другие необычные родственники — рыба-игла и совершенно инопланетный на вид морской дракон.

Коньки плавают вертикально благодаря своему разделенному перегородкой плавательному пузырю, именно поэтому голова у них не перевешивает при движении. Кроме того, морские коньки — одни из самых заботливых отцов в океане, несмотря на явное предпочтение ими R-стратегии размножения, предусматривающей много детенышей (у морских коньков их обычно от двух до десяти тысяч), и отсутствие воспитания. Как это получается? Хотя многочисленным малькам после появления на свет ждать внимания от родителей обоих полов и правда не приходится, до вылупления из икринок их вынашивает самец, тратя на это множество энергии. Он делает это в специальном брюшном кармане, куда их отложила самка.

Описание: Беременный самец Hippocampus erectus ищет опору, к которой можно прикрепиться.

Авторство: Qiang Lin.

Ход коньком: как гиппокампусы стали собой

Ученые под руководством эволюционного биолога, профессора Констанцского университета Акселя Мейера «разобрали» по кусочкам, прочитали и «собрали» обратно геном морского конька Hippocampus comes, чтобы проследить его «путь к себе». Им удалось предсказать наличие у него около 23 тысяч генов (почти треть его генома), основываясь на доступной до этого информации о ДНК его родственников и чтении кусочков РНК — молекулы, помогающей производить из генов белки.

Генетический анализ показал, что морские коньки близки к тилапиям, оризиям, колюшкам, меченосцам и рыбе фугу. Интересно, что эволюционная ветвь, за которую гиппокампусы держатся своим псевдохвостом, оказалась неожиданно длинной, что означает большую скорость эволюции, чем у других костистых рыб.

Описание: Юный морской конек Hippocampus erectus прикрепляется к опоре с помощью своего цепкого хвоста.

Авторство: Qiang Lin.

Какие же гены изменились у морских коньков по сравнению с соседями по эволюционному древу? Во-первых, у них исчезли и «сломались» некоторые гены семейства SCPP, отвечающие у костистых рыб за обмен фосфора и кальция и формирование твердых покровных тканей и скелета. Например, ген scpp5, который отвечает за появление эмали (например, покрытия зубов), у Hippocampus comes представлен в сильно обрезанном виде и имеет лишь три из десяти кодирующих вставок (экзонов), фактически превратившись в псевдоген — едва заметный «след» от работавшего у предков гена. Из-за этого у коньков от утраченной кольчуги чешуй остались лишь редкие кольца костных пластинок.

Пропали у тигровохвостых гиппокампусов и многие гены, отвечающие за обоняние (осталось лишь 60 из 169, присутствующих у других лучеперых рыб), за формирование хвоста и брюшного плавника, и некоторые регулирующие работу генов элементы — генетические переключатели.

Однако путь «подводной конницы» сопровождался не только потерями: некоторые гены у них, наоборот, удвоились, и запасные копии, случайно «ломаясь» и мутируя, смогли обрести новые полезные функции, поддержанные отбором. Так случилось с генами семейства патристацинов, которые стали отвечать за вынашивание эмбрионов в специальном брюшном кармане — способность, которую окрестили «мужской беременностью» морских коньков. Этих генов, которые в большом количестве производят белок в животе у «беременных» самцов гиппокампусов, насчитали целых шесть.

Сделать из зебры коня

Потеря брюшного плавника у морских коньков оказалась связанной с геном tbx4, который отвечает за формирование задних конечностей у большинства позвоночных. Этот белок — транскрипционный фактор, который связывается с особыми участками ДНК и регулирует их работу. Поломка этого гена у мышей приводит к рождению детенышей без задних лапок и тяжелым дефектам развития легких и плаценты. Предполагалось, что другие рыбы, утратив этот ген, должны потерять и брюшные плавники, которые важны для их быстрого движения.

Описание: Юный морской конек Hippocampus erectus неспешно плавает в аквариуме.

Авторство: Qiang Lin.

Чтобы проверить эту гипотезу и установить, куда делись брюшные плавники морского конька, генетики с помощью технологии CRISPR/Cas9 «разрезали» этот ген в геноме удобного объекта для экспериментов — полосатой рыбки данио рерио, (по-английски — zebrafish). Клетки развились в нормальные икринки, а затем в мальков. Когда они подросли, стало ясно, что рыбки, как и морские коньки, действительно потеряли свой брюшной плавник, но сохранили все остальные плавники и не получили никаких дефектов развития, в отличие от млекопитающих с подобным отклонением.

Секвенирование генома морских коньков в очередной раз показало, какие интересные пути к эволюционному успеху могут выбирать живые организмы. Однако сейчас причудливые рыбки находятся под угрозой вымирания, их экстравагантный внешний вид сыграл с ними злую шутку в мире, где так много влияния имеет падкий на развлечения Homo sapiens. Пока что их выручает высокая плодовитость, но, несмотря на это, в настоящее время из 32 видов гиппокампусов в опасности находится 30. Сможет ли род, который эволюционирует так быстро и плавает так медленно, избежать гибели? Задумайтесь об этом, покупая себе красивый сувенир на отдыхе в азиатских странах или заказывая в тайском ресторане очередное дорогое блюдо из глаз морского конька.