Шестое чувство – электрическое

Эти удивительные создания практически незнакомы широкой общественности, однако именно их исследования в течение последних десятилетий стали основой не одного прорыва в области нейробиологии. А не так давно слабоэлектрическими рыбами заинтересовались и специалисты в области эволюционной биологии, которые стараются понять, каким образом и за какое время формируются сложные признаки, чтобы пролить свет на эволюцию нервной системы, в том числе взаимодействие между новшествами в коммуникации и разнообразием видов.

Слабоэлектрические рыбы мормирусы и гимноты обитают в мутных пресноводных водоемах влажной тропической зоны, где ведут ночной образ жизни. Скелетные мышцы хвостовой части их тел формируют сложный электрический орган, который генерирует сигналы разного вида и формы, а на голове имеются электрические рецепторы, некоторые из которых можно увидеть невооруженным глазом. Часть этих рецепторов регистрирует и расшифровывает изменения собственного электрического поля: это своего рода комбинированное чувство, сочетание слуха и дистанционного осязания, позволяет рыбам «видеть» свой путь в темноте.

Кроме слабоэлектрических рыб мормирусов и гимнот, среди рыб есть и другие виды, сформировавшие электрические органы из скелетных мышц, – электрические скаты рода Torpedo, звездочеты и электрические сомы. С помощью этих органов, дающих более сильные разряды, рыбы оглушают свою добычу

Посылая и принимая электрические послания, мормирусы и гимноты могут демонстрировать агрессию и готовность к спариванию. Они являются своеобразной «визитной карточкой», позволяя электрическим рыбам без ошибки узнавать особей того же вида, тем самым уменьшая вероятность спаривания с чужаками.

Ряд морфофизиологических особенностей слабо­электрических рыб делают этих животных особо ценной моделью для нейробиологических исследований. В частности, их электрические органы богаты ключевыми нейротрансмиттерными рецепторами и ионными каналами, необходимыми для работы мышц и нервной системы. Более того, биоэлектричество играет в жизни этих животных двоякую роль: это и «валюта» для обмена информацией внутри нервной системы, и энергия, с помощью которой рыбы воспринимают окружающую среду и посылают сообщения другим особям. Вышеперечисленное означает, что слабоэлектрическим рыбам не требуется никаких специальных форм преобразования энергии, поскольку внешние электрические импульсы непосредственно передаются в нервную систему.

Биологам, работающим с этими рыбами, пришлось подучить электротехнику. Интересно, что нервная цепь, которая позволяет электрическим рыбам избежать электрических «пробок» при взаимодействии с соседями, оказалась первой поведенческой нервной цепью позвоночных, которая была проработана в полном объеме – от ввода информации, ее централизованной обработки и заканчивая двигательной реакцией на выходе. Работа с электрическими рыбами позволила пролить свет и на целый ряд общих нейробиологических функций, в том числе адаптивную обработку реально поступающей информации на основе ожидаемой, точную временную оценку быстро меняющихся сигналов и гормональную модуляцию нервных контуров.

Весь этот кладезь знаний о работе нервной системы электрических рыб и их систематическое разнообразие сделали эти создания превосходной моделью для эволюционных исследований. Недавно на основании анализа последовательностей ДНК с использованием метода молекулярных часов было высказано предположение (Lavoué et al., 2012), что в каждой из групп слабоэлектрических рыб на преобразование сократительных мышц в полноценный функциональный электрический орган ушло примерно 15—25 млн лет. Оказалось, что в этом эволюционном процессе у обеих групп принял участие один и тот же ген – результат дупликации (удвоения) одного из генов, ответственных за работу натриевого канала. Ген-дубль образовался примерно за 100 млн лет до того, как окончательно выделились эти две систематические группы слабоэлектрических рыб (Arnegard et al., 2010) .

Таким образом, благодаря всего лишь одной дупли­кации гена эволюционное новообразование было продублировано в совершенно разных, неродственных группах организмов. Более того, оказалось, что аминокислотные замены в результате позитивного отбора по этому гену у электрических рыб затронули те же сайты, где происходят нежелательные замены, приводящие к развитию сердечных или неврологических заболеваний у человека.

Недавно африканские мормирусы стали объектом изучения еще одной группы биологов-нейроэволюционистов, которые пытаются выяснить, как нововведения в коммуникации могут влиять на скорость видообразования (Carlson et al., 2011).

Оказалось, что способность генерировать электрические сигналы новых типов в сочетании с новой возможностью среднего мозга распознавать тонкие изменения сигнала позволила мормирусам существенно обогатить обмен информацией. В свою очередь, эта инновация в сфере электросенсорной коммуникации запустила каскадное образование новых видов, демонстрируя тем самым важную роль общения между особями в увеличении биоразнообразия.

Последние достижения в области генетических и геном­ных технологий, которые нейробиологи применяют и будут применять при исследовании слабоэлектрических рыб, помогут получить новые знания о механизмах эволюции мозга, происхождении новых систем коммуникации и их влиянии на увеличение разнообразия жизни на нашей планете.

М. Арнегард (Центр исследования рака Фреда ­Хатчинсона, Сиэтл, США), Д. Цвикл (Аризонский университет, США), Й. Лу и Х. Закон (Техасский ­университет, Остин, США)

Литература

Arnegard M. E. et al. Old gene duplication facilitates origin and diversification of an innovative communication system–twice // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. P. 22172—22177.

Carlson B. A. et al. Brain evolution triggers increased diversification of electric fishes // Science. 2011. V. 332. P. 583—586.

Lavoué S. et al. Comparable ages for the independent origins of electrogenesis in African and South American weakly electric fishes // PLoS ONE 7. 2012. e36287.