Изменения в эритроцитах пещерных рыб свидетельствуют об адаптации к пониженному содержанию подземного кислорода.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 3735 (2022) Цитировать эту статью

3212 Доступов

3 цитаты

108 Альтметрика

Подробности о метриках

Животные, обитающие в экстремальных условиях, предоставляют прекрасную возможность изучить адаптивную эволюцию в ответ на различные воздействия. Одним из таких давлений является восстановленный кислород, обычно присутствующий в высокогорных и подземных средах. Пещерным животным также приходится иметь дело с темнотой и голодом, которые тщательно изучались как ключевые силы, движущие эволюцию свойств, связанных с пещерами. Интересно, что гипоксии как давлению окружающей среды уделяется меньше внимания. Здесь мы исследовали предполагаемые адаптивные фенотипы, развивающиеся у пресноводной костистой рыбы Astyanax mexicanus, которая включает как поверхностные, так и пещерные формы. Эта модельная система также дает возможность идентифицировать конвергентные реакции на гипоксию благодаря наличию многочисленных естественных и независимо колонизированных пещерных популяций, а также близкородственных поверхностных сородичей. В центре внимания этого исследования гемоглобин, необходимая молекула для транспорта и доставки кислорода. Мы обнаружили, что многие пещерные популяции содержат более высокую концентрацию гемоглобина в крови, что совпадает с увеличением размера эритроцитов пещерной морфы по сравнению с поверхностными рыбами. Интересно, что как пещерные, так и поверхностные морфы имеют сопоставимое количество эритроцитов на единицу крови, что позволяет предположить, что повышенный гемоглобин не связан с перепроизводством эритроцитов. С другой стороны, из-за увеличенной площади клеток эритроцитов у пещерных рыб мы полагаем, что они содержат больше гемоглобина на эритроцит. Эти данные подтверждают мнение о том, что пещерные рыбы адаптировались к гипоксии в пещерах за счет модуляции как производства гемоглобина, так и размера эритроцитов. Эта работа раскрывает дополнительную адаптивную особенность пещерной рыбы Astyanax и демонстрирует, что скоординированные изменения между клеточной архитектурой и молекулярными изменениями необходимы для организмов, развивающихся под сильным давлением окружающей среды.

Наше понимание сложных взаимодействий между экстремальными условиями окружающей среды и реакцией организма на это давление остается неполным. Мощной природной моделью для изучения адаптации в экстремальных условиях является слепая мексиканская пещерная рыба Astyanax mexicanus (рис. 1а). Этот вид позволяет провести прямое сравнение двух существующих морфотипов: речной «поверхностной» морфы и облигатных подземных «пещерных» морф. Тридцать существующих пещерных популяций1 распределены по сети подземных пещер в обнаженном известняковом карсте региона Сьерра-де-Эль-Абра на северо-востоке Мексики (рис. 1а). Фенотипические изменения сопровождали этот переход от поверхности к пещере в течение предполагаемого периода от ~ 20 до 500 тысяч лет2,3, включая потерю глаз, пигментацию и усиление невизуальных чувств. За 8 десятилетий, прошедших с момента их открытия4, был достигнут значительный прогресс в понимании механизмов, лежащих в основе регрессивных особенностей, однако экологическое давление карстовой системы Эль-Абра в основном касалось последствий ограниченного освещения и питания5.

Несколько популяций пещерной рыбы Astyanax mexicanus имеют более высокие концентрации гемоглобина по сравнению с поверхностными рыбами. Astyanax mexicanus состоит из пещерного и поверхностного морфотипов. Пещерные морфы распространены в многочисленных пещерах Сьерра-де-Эль-Абра на северо-востоке Мексики, тогда как поверхностные морфы обитают в близлежащих реках, ручьях и озерах (а). В каждой из трех популяций пещерных рыб наблюдались статистически значимо более высокие концентрации гемоглобина, чем у конспецифической поверхностной морфы (b, Chica WRS p = 0,005, Tinaja WRS p = 0,0005, Pachón WRS p = 0,0001). Концентрацию гемоглобина измеряли с помощью спектрофотометрического анализа (в). Никаких отклонений обнаружено не было.

Гораздо меньше внимания уделяется одному фактору воздействия окружающей среды, обычно присутствующему в подземных пещерах, — снижению уровня кислорода. Подземные среды по всему земному шару часто имеют пониженный уровень кислорода по сравнению с окружающей земной средой из-за дыхания6, отсутствия фотосинтеза6 и ограниченного смешивания воздуха с приземной атмосферой7. Эмпирические измерения растворенного кислорода были проведены в двух пещерах Эль-Абра, Пачон и Тинаха, которые демонстрируют значительно более низкие уровни кислорода в пещерных бассейнах по сравнению с окружающими поверхностными водами (DO = 2,97 мг/л в пещере Пачон по сравнению с 8,20 мг/л в пещере Пачон). поверхностная среда (Раскон), 59%-ная насыщенность в пещере Тинаха по сравнению с 80%-ной насыщенностью в поверхностной среде (Насимиенто-дель-Рио-Чой)8,9.Хотя эта особенность окружающей среды, скорее всего, повлияла на эволюцию пещерной рыбы Астианакс, лишь немногие исследования рассмотрел предполагаемые адаптивные функции, смягчающие это давление10,11,12.