Когда некоторые морские рыбы приспособились к жизни в пресной воде, у многих из них развился более сложный механизм слуха, включающий слуховые косточки, похожие на человеческие.
Сегодня две трети всех пресноводных видов рыб, насчитывающих более 10 000 видов – от сомов до популярных аквариумных рыбок, таких как тетры и данио-рерио, – обладают специализированным средним ухом, известным как Веберов аппарат. Эта система позволяет им улавливать гораздо более высокие звуковые частоты, чем большинству морских рыб, приближая их слух к человеческому диапазону.
Палеонтолог Хуан Лю из Калифорнийского университета в Беркли изучила Веберов аппарат недавно описанной ископаемой рыбы. Анализ её анатомии позволил уточнить хронологию эволюции пресноводных рыб.
Долгое время считалось, что отофизовые рыбы – группа, обладающая Веберовым аппаратом, – переселились в пресные воды около 180 миллионов лет назад, ещё до того, как суперконтинент Пангея распался на привычные нам континенты. Однако работа доктора Лю указывает на более позднее происхождение – примерно 154 миллиона лет назад, в конце юрского периода, когда Пангея уже начала распадаться и формировались современные океаны.
Анализ ископаемых находок и геномных данных показывает, что предшественники улучшенных слуховых косточек появились ещё тогда, когда эти рыбы обитали в море. Полностью развитый, чувствительный слух сформировался после того, как две отдельные линии колонизировали пресные воды. Одна из них привела к появлению сомов, ножевых рыб, а также африканских и южноамериканских тетр. Другая дала начало карпам, чукучанам, пескарям и данио-рерио, составляющим крупнейший отряд пресноводных рыб.
«Морская среда – колыбель многих позвоночных», – отмечает Хуан Лю, доцент кафедры интегративной биологии и ассистент-куратор Музея палеонтологии Калифорнийского университета. «Долгое время существовал консенсус, что эти костистые рыбы имели единственное пресноводное происхождение на большом континенте Пангея, а затем расселились вместе с разделением континентов. Однако анализ нашей команды, основанный на потрясающих ископаемых, проливающих новый свет на эволюционную историю пресноводных рыб, показал совершенно иные результаты: ближайший общий предок отофизовых рыб был морской линией, и после её разделения произошло как минимум два переселения в пресные воды».
Эта новая интерпретация меняет взгляды учёных как на эволюционную историю, так и на сложную биогеографию этой удивительно успешной группы пресноводных рыб. Учёная добавила, что «повторные миграции в пресные воды на ранних стадиях дивергенции, вероятно, ускорили видообразование и являются ключевыми факторами, объясняющими необычайное гиперразнообразие отофизовых в современной пресноводной фауне».
Доктор Лю и её коллеги описали и назвали 67-миллионолетнюю ископаемую рыбу, Acronichthys maccagnoi, в статье, опубликованной 2 октября в журнале Science. В этой работе исследователи анализируют 3D-сканы Веберова аппарата ископаемого, а также геномы и морфологию современных рыб, чтобы пересмотреть генеалогию пресноводных видов. Они также смоделировали частотную характеристику структуры среднего уха ископаемой рыбы.
Слух в воде устроен иначе, чем слух в воздухе. Многие наземные позвоночные улавливают звук с помощью барабанной перепонки, которая вибрирует и приводит в движение цепочку косточек среднего уха, усиливающих сигнал перед тем, как он достигнет заполненного жидкостью внутреннего уха. У человека это молоточек, наковальня и стремечко.
Поскольку тело рыбы по плотности близко к воде, звуковые волны проходят сквозь него. Поэтому у многих рыб развился внутренний воздушный пузырь, который вибрирует под воздействием звуков. У большинства видов морских рыб эти вибрации достигают внутреннего уха лишь слабо, что ограничивает их слух низкими частотами, не превышающими 200 герц.
Отофизовые рыбы улучшили этот механизм, добавив небольшие костные «оссикулы», соединяющие воздушный пузырь – который часто ошибочно называют плавательным пузырём, – с внутренним ухом. Эта связь значительно усиливает и расширяет чувствительность слуха. Например, данио-рерио могут улавливать звуки до 15 000 Гц, приближаясь к верхней границе человеческого слуха в 20 000 Гц.
Вопрос о том, почему высокочастотный слух оказался полезным, остаётся открытым. Возможно, это связано с разнообразием сред обитания этих рыб – от быстрых ручьёв до спокойных озёр.
Доктор Лю изучает Веберов аппарат как у современных, так и у ископаемых рыб. В прошлом году она опубликовала результаты компьютерного моделирования работы этого аппарата. Это моделирование позволяет ей предсказывать частотную характеристику костных оссикул и, следовательно, слуховую чувствительность рыб.
Множество образцов недавно названной ископаемой рыбы, едва достигающей 5 сантиметров в длину, были обнаружены и собраны в Альберте, Канада, в течение шести полевых сезонов, начиная с 2009 года, ихтиологом и соавтором исследования Майклом Ньюбри из Государственного университета Колумбуса, штат Джорджия. Ископаемые хранятся в Королевском музее Тиррелла в Драмхеллере, Альберта. Несколько экземпляров были настолько хорошо сохранились, что косточки среднего уха явно принадлежали Веберову аппарату. Эта рыба – древнейшее известное североамериканское ископаемое отофизовой рыбы, или Otophysi, датируемое поздним меловым периодом, за короткое время до исчезновения нелетающих динозавров. Более древние образцы были найдены в других частях мира, но ни один из них не имел хорошо сохранившегося Веберова аппарата, отмечает Лю.
Специалисты Канадского источника синхротронного излучения при Университете Саскачевана в Саскатуне и Университета Макгилла в Монреале получили 3D-рентгеновские снимки рыбы, а доктор Лю смоделировала оссикулы Веберова аппарата в своей лаборатории. Модель показала, что даже 67 миллионов лет назад отофизовые рыбы обладали почти такой же чувствительностью слуха, как современные данио-рерио.
«Мы не были уверены, был ли это полностью функциональный Веберов аппарат, но оказалось, что симуляция сработала», – подчеркнула Лю. «Веберов аппарат этой рыбы имеет лишь немного меньшую выходную мощность, что означает более низкую чувствительность по сравнению с данио-рерио. Однако пиковая, наиболее чувствительная частота не намного ниже, чем у данио – от 500 до 1000 герц, – что совсем неплохо и означает, что высокочастотный слух уже был достигнут у этой древней отофизовой рыбы».
Эти результаты подчёркивают более широкую закономерность в эволюции: всплески появления новых видов часто следуют за повторными миграциями в новые среды обитания, особенно когда организмы развивают такие инновации, как более чувствительный слух.
«Долгое время мы предполагали, что Otophysi, вероятно, имеют пресноводное происхождение, потому что эта группа почти исключительно состоит из пресноводных рыб», – сказал Ньюбри. «Новый вид предоставляет важную информацию для новой интерпретации эволюционных путей Otophysi с морским происхождением. Это просто гораздо логичнее».
Среди других соавторов статьи – Дональд Бринкман из Королевского музея Тиррелла, Элисон Мюррей из Университета Альберты, бывший студент Калифорнийского университета в Беркли Зехуа Чжоу, ныне аспирант Мичиганского государственного университета, а также Лиза Ван Лун и Нил Банерджи из Университета Вестерн в Лондоне, Онтарио. Исследование доктора Лю было профинансировано грантом Франклина от Американского философского общества.
