Нові дослідження показують, що морські риби неодноразово переходили у прісноводне середовище, розвиваючи при цьому вдосконалені слухові здібності. Коли давні морські риби переміщувалися з солоної води у прісну, багато з них еволюціонували, утворюючи складніші слухові системи — зокрема середнє вухо з кісточками, подібними до тих, що є у людини.
Сьогодні близько двох третин усіх прісноводних риб — понад 10 000 видів, від сомів до популярних акваріумних рибок, таких як тетри й даніо — мають спеціалізовану структуру середнього вуха, відому як апарат Вебера. Ця система дозволяє їм чути звуки значно вищої частоти, ніж більшість морських риб, — їхній слуховий діапазон близький до людського.
Палеонтолог із Каліфорнійського університету в Берклі Хуан Лю дослідила будову апарата Вебера у щойно виявленій викопній рибі й переглянула еволюційну шкалу появи прісноводних видів.
Від морських предків до прісноводних новаторів
Раніше вважалося, що риби з апаратом Вебера, або отофізи, заселили прісноводні водойми приблизно 180 мільйонів років тому — ще до розколу суперконтиненту Пангеї. Проте новий аналіз Лю зміщує цю дату до пізньої юрської епохи, близько 154 мільйонів років тому, коли Пангея вже почала розпадатися, а сучасні океани лише формувалися.
Поєднавши дані викопних решток і геномного аналізу, Лю з’ясувала, що ранні версії слухових структур уперше з’явилися саме у морських риб. Лише після того, як два незалежні родоводи перейшли у прісноводне середовище, апарат Вебера став повноцінним. Один із них дав початок сучасним сому, ножерибам і тетрам Африки та Південної Америки, а інший — коропам, піскарям, міногам і даніо, тобто найбільшому сучасному ряду прісноводних риб.
Викопні знахідки змінюють еволюційне розуміння
«Морське середовище є колискою більшості хребетних», — пояснює Лю, доцент кафедри інтегративної біології та куратор Музею палеонтології Каліфорнійського університету. — «Довгий час вважалося, що кісткові риби походять із єдиного прісноводного джерела на території Пангеї, а потім поширилися з розділенням континентів. Але наш аналіз дивовижних викопних решток показав зовсім інше: спільний предок отофізів був морським видом, і після його розділення сталося щонайменше два незалежні переходи у прісну воду».
Це відкриття, за словами Лю, змінює розуміння еволюційної історії та біогеографії найуспішнішої групи прісноводних риб. «Ці повторні переходи у прісну воду на ранніх етапах дивергенції, ймовірно, прискорили видоутворення і стали ключовим чинником надзвичайного різноманіття отофізів у сучасних водоймах».
Лю та її колеги описали й назвали 67-мільйонолітню викопну рибу Acronichthys maccagnoi у нещодавній публікації в журналі Science. У статті вони аналізують 3D-скани структури апарата Вебера, порівнюють геноми та морфологію сучасних риб, щоб оновити їхню родову схему, а також моделюють частотну характеристику середнього вуха викопного виду.
Складна конструкція середнього вуха
Слух під водою потребує зовсім іншої анатомії, ніж слух у повітрі. Більшість наземних хребетних розвинули барабанну перетинку, що реагує на звукові хвилі, змушуючи рухатися систему дрібних кісточок — у людей це молоточок, коваделко й стремінце — які підсилюють звук і передають його до внутрішнього вуха.
Однак звукові хвилі у воді проходять крізь тіло риби, оскільки його щільність близька до щільності води. Тому риби розвинули повітряний міхур, що вібрує у відповідь на звук. У більшості морських риб ці вібрації передаються у внутрішнє вухо досить примітивно, тому вони чують лише низькі частоти — приблизно до 200 Герц.
Риби-отофізи натомість еволюціонували, утворивши кісткові «осикли» між повітряним міхуром (часто його називають плавальним) та внутрішнім вухом. Ці структури підсилюють звук і розширюють діапазон частот, які риба може сприймати. Наприклад, даніо можуть чути звуки до 15 000 Герц — майже як люди, які сприймають до 20 000 Герц.
Навіщо цим рибам чути такі високі частоти, поки невідомо, але, ймовірно, це пов’язано з різноманітністю середовищ, у яких вони живуть — від бурхливих річок до спокійних озер. Лю вивчає апарат Вебера у сучасних і викопних риб і навіть створила комп’ютерну симуляцію його роботи. Ця модель дозволяє передбачити частотну реакцію кісточок і визначити чутливість слуху.
Викопні рештки та цифрове моделювання відкривають давню анатомію
Рештки нової риби довжиною лише близько п’яти сантиметрів були знайдені в канадській провінції Альберта протягом шести польових сезонів, починаючи з 2009 року. Їх зібрав іхтіолог і співавтор дослідження Майкл Ньюбрі з Державного університету Колумбуса (штат Джорджія, США). Знахідки зберігаються в Королівському музеї Тіррелла у місті Драмгеллер. Декілька екземплярів настільки добре збереглися, що кістки середнього вуха чітко відображають структуру апарата Вебера. Це найдавніший відомий у Північній Америці викопний представник отофізів, який жив у пізньому крейдовому періоді — незадовго до вимирання динозаврів.
Техніки з Канадського джерела синхротронного випромінювання (Canadian Light Source) при Університеті Саскачевану та з Університету Макґілла в Монреалі зробили 3D-рентгенівські знімки решток, а Лю змоделювала кісточки апарата Вебера у своїй лабораторії. Результати показали, що ще 67 мільйонів років тому ці риби мали слухову чутливість, близьку до сучасних даніо.
Еволюція слуху і різноманіття
«Ми не були впевнені, чи це повноцінний апарат Вебера, але симуляція показала, що так», — каже Лю. — «Він мав дещо нижчу потужність сигналу, а отже, трохи меншу чутливість, ніж у даніо. Але найчутливіший діапазон — близько 500–1000 Герц — був майже таким самим, що свідчить: високочастотний слух уже існував у цих стародавніх риб».
Науковиця підкреслює, що це відкриття ілюструє загальну закономірність еволюції: різке збільшення кількості видів може бути результатом повторних переходів у нові середовища разом із появою інновацій — у цьому випадку більш чутливого слуху.
«Довгий час ми припускали, що отофізи мають прісноводне походження, адже більшість їхніх сучасних видів живе у прісній воді», — додає Ньюбрі. — «Але новий вид надає ключові дані, що свідчать про морське походження цієї групи. І це справді виглядає значно логічніше».