Najszybciej dojrzewający kręgowiec

Fenomen tej niewielkiej rybki, zagrzebki (Nothobranchius furzeri) pozwala zachwycić się i zadumać nad twardością życia i zaskakującymi rozwiązaniami ewolucyjnymi.

Niezwykła strategia życiowa zagrzebek, które żyją w kałużach pojawiających się podczas pory deszczowej na afrykańskiej sawannie, dotyczy czasu jaki jest im dany nim nastąpi pora sucha. Życie w kałuży pośród sawanny jest intensywne do tego stopnia, że ten gatunek zdobył uznanie jako najszybciej dorastający z kręgowców. Co prawda ikra zagrzebana w wyschniętej ziemi czeka na odpowiednie warunki przez całą porę suchą, ale w tym czasie nie zachodzą w niej praktycznie żadne procesy biologiczne*. Taka ikra pełni funkcję nasion, które dopiero w obecności wody „kiełkują” uwalniając półcentymetrowe larwy. Od tej chwili dla N. fuzeri zaczyna się wyścig z czasem. Zaledwie w ciągu dwóch tygodni rybki odbywają tarło by zdążyć zdeponować ikrę w dnie i nie przeżywają kolejnej pory suchej. Nawet gdy zaistnieje szansa dłuższego cieszenia się życiem, na przykład w akwariach ośrodków naukowych, matuzalemowie tego gatunku dożywają maksymalnego wieku 4 lat.

Nothobranchius furzeri zagrzebka starzenie Platzer Englert Trends in Genetics
Ilustracja przedstawia wygląd zagrzebek z długowiecznego rodu w różnym wieku. Zdjęcia pochodzą z publikacji Platzer i Englert 2016.

Ta niezwykła właściwość powiązana jest, a w zasadzie wynika z szeregu mocy specjalnych w jakie ewolucja wyposażyła te ryby**. Obok mechanizmów zapewniających odporność na wysuszenie i wysokie zasolenie, rozwijające się embriony dysponują odpornością na niedostatek tlenu i są w stanie niemal całkowicie zatrzymać procesy życiowe nie jeden, ale trzy razy podczas rozwoju w jaju. Dzięki temu gotowe już larwy mogą trwać w fazie diapauzy w osłonkach jajowych w pełni gotowości na pierwsze opady. Żeby zaś dobrze wykorzystać krótki czas gdy środowisko oferuje możliwość popływania, w rozwoju tych rybek uległy zmianie procesy migracji komórek, a pośpieszność podziałów i intensywność metabolizmu wspierana jest bardzo wydajnym systemem naprawy DNA. Jeżeli pora deszczowa trwa wystarczająco długo, zagrzebki są w stanie przejść cały rozwój bez przerw, starając się upchnąć kolejne pokolenie (lub dwa) w jednym sezonie deszczowym. Te właściwości mają dla badaczy nie tylko ogromną wartość poznawczą, ale dają obietnice głębszego wglądu w procesy różnicowania komórek i rozwoju technik bioinżynierii, dla której świętym Graalem jest skuteczne wytwarzanie spersonalizowanych narządów do przeszczepów.

Proces starzenia również jest centrum zainteresowania licznych grup naukowców. Możliwość zbadania zmian aktywności genów w tak krótkim czasie jak życie zagrzebek jest kuszącą perspektywą dla badań zmierzających do identyfikacji genów mających wpływ na przebieg i tempo procesów starzenia kręgowców. Szczególnie gdy wyraźnie daje się zidentyfikować rody tych ryb o zróżnicowanej maksymalnej długości życia. Gdy uda się wyłowić geny którymi różnią się rody zagrzebkowych matuzalemów od rodów dożywających ledwie roku i określić funkcje tych genów, może stać się możliwym podjęcie skutecznej walki ze schorzeniami i dysfunkcjami towarzyszącymi starzeniu się ludzi. Wszak w każdym z nas ukryta jest ryba.

* Taki stan fizjologiczny nazywany jest diapauzą. Wśród roślin i bezkręgowców jest całkiem powszechny, ale u kręgowców zdarza się tylko u nielicznych gatunków karpieńcowatych. Bohater dzisiejszej notki jest ekstremistą pośród tej grupy.

** Krewnym zagrzebek, również należącym do rzędu karpieńcowatych (Cyprinodontiformes) jest strumieniak , który także jest nietuzinkową rybą.

Tomasz Kijewski

Obrazek w nagłówku przedstawia parkę zagrzebek. © FLI/Nadine Grimm

 

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

Wyszukaj nazwę „Nothobranchius furzeri” w serwisie Science Daily

Naumann B. i Englert C.: Dispersion/reaggregation in early development of annual killifishes: Phylogenetic distribution and evolutionary significance of a unique feature; Developmental Biology 2018

Platzer M. i Englert C.: Nothobranchius furzeri: A Model for Aging Research and More; Trends in Genetics 2016

Reichard M. i inni: Turquoise killifish; Current Biology 2015

Sahm A. i inni: Outgroups and Positive Selection: The Nothobranchius furzeri Case; Trends in Genetics 2016

Vrtilek M. i inni: Extremely rapid maturation of a wild African annual fish; Current Biology 2018

 

 

Ryba z piekła rodem

Wydaje się całkiem prawdopodobne, że obecne upały stanowią preludium do gorącego lata. Takie warunki stwarzają zagrożenie dla wielu gatunków, ale bohater dzisiejszej notki lubi takie warunki.

 

Karpieniec diabli, Cyprinodon diabolis, to prawdziwy twardziel. Ta niepozorna, żwawa rybka, dorastająca do 3cm spędza całe swoje dwunastomiesięczne życie w rejonie, który trudno podejrzewać o bogactwo ichtiofauny. Karpieniec diabli żyje bowiem w Newadzie, w miejscu zwanym Devil’s Hole (chyba stąd nazwa rybki, bo wygląda bardzo przyzwoicie) na pustyni Amargosa, kilka strzałów z łuku od sławnej Doliny Śmierci. Jest uważany za najbardziej odizolowany gatunek ryb na Ziemi.

I chociaż na brak ciepła w tej okolicy nie ma co narzekać, środowiskiem zasiedlanym przez ten gatunek jest źródło termalne, w którym woda pozostaje w stałej temperaturze 33-34 stopni. Rzecz jasna, w głębszych rejonach źródła temperatura jest wyższa, ale dopiero 43 stopnie stanowią górną granicę tolerancji tych ryb. To drugi rekord.

Jak możecie przeczytać tutaj, rozpuszczalność tlenu w wodzie maleje ze wzrostem temperatury. Karpieniec jest odporny na brak tlenu wykorzystując ten sam mechanizm co nasze karasie pod lodem. Gdy robi się duszno, pozyskuje energię z przemiany glikogenu w alkohol.

Kolejny rekord dotyczy zasięgu występowania tego gatunku, bowiem obszar przezeń zajmowany wynosi około 20 metrów kwadratowych. Owszem, znalazłem także informację, że ryby te spotykano na oszałamiającej przestrzeni 68 metrów kwadratowych, ale wciąż tylko w jednym i tym samym termalnym źródle. Zresztą z opisu wynika, że do większości z tych 68 metrów rybki tylko zapływają, gdyż jest tam za ciepła woda.

Rozumiecie: Obszar Występowania Całego Gatunku!

DevilsHole NPS photo Kurt Moses
Pracownicy Służby Parków  Narodowych podczas badań tego niezwykłego siedliska.  © Kurt Moses

 

Niektórzy twierdzą, że C. diabolis zamieszkuje to niegościnne środowisko nawet od 60tys lat, inni wiążą pojawienie się rybki ze zmianami warunków hydrologicznych pod koniec ostatniego zlodowacenia 11 tys. lat temu, a jeszcze inni głoszą, że tak mała populacja nie miałaby szans trwać dłużej niż parę tysięcy lat. Genetycy mogą dyskutować do upadłego na ten temat, bo ocena wieku populacji wynika ze stopnia zróżnicowania genetycznego i jest tym bardziej precyzyjna im liczniejsza jest populacja oraz badana próba. Tymczasem liczebność tego gatunku waha się dość mocno, od ponad 500 osobników do niespełna 40 wywołując irytację u genetyków, a u ekologów stany euforii i apatii na przemian. Na dodatek tempo mutacji które akumulują się u tego gatunku jest podwyższone, więc genetycy muszą bardzo ostrożnie i niemal po omacku dobierać parametry do swoich kalkulacji.

Wobec tej dynamiki populacji i wrażliwości na powodzie, deszcze oraz ruchy sejsmiczne, C. diabolis uznany jest za gatunek krytycznie zagrożony, a okolica jego występowania znajduje się pod szczególna ochroną. To znaczy ogrodzona jest siatką.

devils hole cyprinodon © Dan Suzio

devils hole cyprinodon
Rezerwat specjalny Devil’s Hole. © Robert Shallenberger/U.S. Fish and Wildlife Service

 

Ichtiolodzy próbowali także hodować karpieńca diablego w akwariach, jednak nie udało się doprowadzić do rozrodu. Lepsze efekty uzyskano krzyżując karpieńce z pokrewnymi gatunkami, ale jak się zastanowić – gdzie jest sens biologiczny takich działań?

Tomasz Kijewski

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

Dzul M.C. i inni: Identifying sources of error in surveys of devils hole pupfish (Cyprinodon diabolis); The Southwestern Naturalist 2012

Heuton M. i inni: Paradoxical anaerobism in desert pupfish; Journal of Expewrimental Biology 2015

Martin C.H., Höhna S: New evidence for the recent divergence of Devil’s Hole pupfish and the plausibility of elevated mutation rates in endangered taxa; Molecular Ecology 2018

Reed J.M., Stockwell C.A.: Evaluating an icon of population persistence: the Devil’s Hole pupfish; Proceedings. Biological Sciences 2014

Sağlam İ.K. i inni: Phylogenetics support an ancient common origin of two scientific icons: Devils Hole and Devils Hole pupfish; Molecular Ecology 2016

Trening czyni mistrza

Pamiętacie strumieniaka marmurkowego, rybkę która lubi żyć poza wodą? Naukowcy jej nie odpuszczają. Właśnie ukazała się publikacja opisująca mechanikę skoków jakie wykonują strumieniaki i zmiany anatomiczne, jakie w związku z tymi skokami u nich następują. Zespół badaczy z Uniwersytetów w Alabamie USA i Kornwalii UK wykazał na drodze eksperymentalnej, że im starszy osobnik, tym skacze dalej. Większość młodych ryb skacze dwie do trzech długości ciała, a starsze osobniki przeciętnie o pół długości dalej. Rekordzista, w kasie wiekowej 4 lat, skoczył na odległość 12 długości. Badania anatomiczne ujawniły wyraźne zmiany w strukturze końcowego odcinka kręgosłupa i zagęszczenie promieni płetwy ogonowej u starszych i dalej skaczących ryb.

W notce prasowej poświęconej tym badaniom możecie znaleźć film pokazujący sposób w jaki te ryby skaczą.

Jeśli chcecie wiedzieć wszystko o mechanice skakania strumieniaka marmurkowego:

Styga J.M. i inni : Ontogeny of the morphology‐performance axis in an amphibious fish (Kryptolebias marmoratus); Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological and Integrative Physiology 2018

Obrazek w nagłówku jest kadrem z polecanego wyżej filmu. © Ben Perlman i Nickolay Hristov

 

Tomasz Kijewski

Samolub (i „kosmita” w dodatku)

Ryba, która ma parcie na ląd i nie zadaje się z byle kim.

Strumieniaki to rodzina niedużych ryb karpieńcowatych, w sile ponad 200 opisanych gatunków. Niektóre z nich są popularne w hodowlach akwarystycznych i nie wyróżniają się niczym oprócz skłonności do wyskakiwania z akwarium i konieczności przeschnięcia ikry przed wylęgiem. Ich naturalnym środowiskiem są lasy mangrowe; słone, słonawe i słodkowodne bagniska, które nierzadko wysychają. Przez to większość gatunków strumieniaków żyje przez jeden sezon, co dla niektórych oznacza nie dłużej niż trzy miesiące. Żadne inne znane kręgowce nie mają tak krótkiego okresu życia. Jednak nawet na ich tle, prawdziwym dziwakiem w tej rodzinie jest strumieniak marmurkowy Kriptolebias marmoratus.

Ta niewielka, dorastająca do 7 cm rybka żyje w lasach mangrowych od Florydy przez Karaiby po Brazylię. Z pokroju – normalna ryba, tylko że wyposażona przez ewolucję w moce specjalne. Przeżywa w wodzie o temperaturze między 12 a 38°C i zasoleniu od 0 do 68‰*, ale też doskonale radzi sobie poza wodą. I nie jest to tylko związane z ucieczką przed drapieżnikami.

Strumieniaki kończą kąpiel w basenie krabów. © Andy Turko

Zaobserwowano że polują na lądzie na drobne owady, a znajdowano je także na drzewach, w schowankach których potrafią zaciekle bronić. To musi być dziwne uczucie, gdy trącisz pień drzewa, a spod kory zaczną wyglądać liczne ryby, które jeśli już uciekają odbijając się ogonami, to niekoniecznie w kierunku wody. W eksperymentach laboratoryjnych wykazano, że strumieniaki marmurkowe z powodzeniem przeżywają 66 dni bez kontaktu z wodą. Wilgoć zawarta w powietrzu zapewne wystarcza, a funkcję oddechową i wydalniczą sprawuje z powodzeniem bogato ukrwiona skóra. Jeżeli są spotykane w wodzie, to stanowczo preferują błotniste kałuże, dołki wygrzebane przez kraby, a choćby zagłębienia śladów zwierząt lub ludzi. I jeśli są w wodzie, to całkiem prawdopodobne, że właśnie składają jaja, co ułatwia im opcja obupłciowości. I tutaj kolejna niezwykła cecha tej ryby. Jako jedyny znany kręgowiec, K. marmoratus jest w stanie wykonać genetyczne selfie. Mówiąc wprost –praktykują samozapłodnienie**. Jednak czasem, żeby nie doszło do zaślepienia linii rodowych, pośród tych rybek zdarzają się samce. Z ikry wylęga się ich około 6%, jednak po kilku latach niektóre hermafrodyty likwidują jajniki i do końca życia funkcjonują jako samce. W siedliskach w których temperatura nie spada poniżej 25°C samce występują incydentalnie. Biologów zadziwia konsekwencja w produkcji selfie. Chociaż strumieniakom marmurkowym zdarza się korzystać z usług samców lub innych hermafrodytów, ponad 80% składanych przez nich ziaren ikry jest zapłodniona osobiście. Na dodatek w obecności innych osobników ta produkcja jest znacznie większa niż u samotnych ryb. Troszeczkę bardziej rozwiązłe są jesienią, składając nieco więcej ikry nie zapłodnionej, ale i tak pozostają seksualnymi samolubami.

Kryptolebias marmoratus Turko & Wright
Zdjęcie z publikacji Turko i Wright 2015

* zasolenie wody oceanicznej wynosi około 35‰, w Zatoce Gdańskiej 8‰

** jeszcze w latach 50. ubiegłego wieku przeprowadzono eksperymenty hodowlane, gdzie wychowywano osobniki odizolowane jeszcze na etapie ziarna ikry i uzyskiwano z nich kolejne pokolenia ryb. Późniejsze analizy genetyczne ostatecznie potwierdziły genetyczną tożsamość całych linii rodowych strumieniaka marmurkowego. To rodzi pytanie z pogranicza biologii i filozofii – czy wobec tego mamy do czynienia z osobnikami które trwają wielopokoleniowo, czy jednak z każdego ziarna ikry powstaje osobne indywiduum biologiczne?

Agnieszka Kijewska

Tomasz Kijewski



Źródełka:

Harrington Jr. R.W. Oviparous Hermaphroditic Fish with Internal Self-Fertilization; Science 1961

Lomax J.L. i inni. Factors affecting egg production in the selfing mangrove rivulus (Kryptolebias marmoratus); Zoology 2017

Taratenkov A. Long-term retention of self-fertilization in a fish clade; Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2009

Taylor D.S. i inni: , A Novel Terrestrial Fish Habitat inside Emergent Logs; The American Naturalist 2008

Turko A.J. i Wright P.A.: Evolution, ecology and physiology of amphibious killifishes (Cyprinodontiformes); Journal of fish Biology 2015

Uyenoyama M.K. i Takebayashi N.: Evolution of the sex ratio and effective number under gynodioecy and androdioecy; Teoretical Population Biology 2017

Zdjęcie w nagłówku – F. Vermulen, ze strony itrainsfishes.net