Исследование, опубликованное 10 апреля 2017 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, объединило измерения формы плавников у сотен особей семейства Labridae с механическими свойствами плавников и нервными реакциями, записанными у восьми различных видов лабридных, широко известных как губаны. Затем эти измерения были нанесены на карту эволюции 340 губанов, чтобы определить, как механические свойства и нервная система плавников менялись с течением времени.
«Поскольку грудные плавники меняют форму, поведение и механические свойства, мы показали, что сенсорная система также развивается вместе с ними», — сказал Бретт Айелло, аспирант кафедры биологии и анатомии организмов и ведущий автор книги. изучение. «Это позволяет сенсорной системе настраиваться на различные стимулы, относящиеся к локомоторному поведению и механике плавников у разных видов».Когда животные используют придатки для движения, они полагаются на сенсорную обратную связь от этих конечностей для управления движением.
Нервы в грудных плавниках рыб определяют положение лучей плавников и степень их изгиба при движении в воде, что помогает рыбам определять скорость и относительное положение плавников.Форма плавника также влияет на то, как рыба будет двигаться. Ученые используют число, называемое соотношением сторон (AR), чтобы измерить эту форму.
Высокая AR означает, что плавник длинный и узкий или более похож на крыло; низкий AR означает, что плавник широкий или круглый и более похож на весло. Губаны с высоким AR и крыловидными плавниками взмахивают ими, чтобы максимизировать эффективность и тягу, когда они продвигаются вперед, в то время как те, у кого более широкие, низкие AR, лопаточные плавники используют гребные движения для маневрирования вблизи дна рифов.Айелло и его коллеги собрали измерения соотношения сторон плавников сотен видов лабрид в Полевом музее и объединили эти данные с генетической филогенетикой 340 лабридов, разработанной Марком Вестнитом, доктором философии, профессором биологии и анатомии организмов и соавтором исследования. . Используя ДНК живых рыб, Вестнит построил генеалогическое древо взаимоотношений между этими видами, проследив, как они эволюционировали во времени. Затем исследователи нанесли на карту форму плавников каждого вида на филогенезе, что позволило им проследить эволюцию плавников от их предкового состояния до живых видов.
Реконструкция предкового состояния выявила закономерности конвергентной эволюции, при этом плавники с высокой AR возникали независимо друг от друга, по крайней мере, 22 раза.Имея в виду эту историю эволюции плавников, исследователи также проверили механические свойства и чувствительность сенсорной системы в грудных плавниках четырех пар близкородственных видов лабридных, одна с низкими плавниками AR и одна с независимо эволюционировавшими плавниками с высокой AR. Команда проверила сенсорную реакцию, измерив нервную реакцию нервов грудных плавников, когда они сгибали плавник, а затем повторила процесс, сгибая плавники каждый раз на разную величину.
То, что они обнаружили, дало больше подсказок о полезности каждого вида плавников. Ласты с низким AR, похожие на лопасти, имели тенденцию быть более гибкими, а ласты с высоким AR были более жесткими или жесткими. Но сенсорная система крыловидных плавников с высоким AR также была более чувствительной, а это значит, что плавники лучше реагировали на меньшую величину изгиба. Айелло сказал, что, по его мнению, более чувствительная нервная система эволюционировала в плавниках с высоким AR, потому что она должна была лучше реагировать на меньшие движения, поскольку рыба использует эти жесткие, менее гибкие плавники для плавания.
Работа является продуктом сотрудничества между дисциплинами, отличительной чертой программы биологии и анатомии организма в Калифорнийском университете в Чикаго. Итоговое исследование PNAS могло состоять из трех отдельных статей: архивного исследования образцов из Полевого музея, генетической филогении и нейробиологического исследования живых видов.
«Сотрудничество между учеными с разными точками зрения и опытом может привести к исследованиям в совершенно новых направлениях», — сказала Мелина Хейл, профессор биологии и анатомии организмов Уильяма Рейни Харпера и старший автор исследования. «Это также очень весело, потому что мы узнаем об областях друг друга. Для экспериментаторов, таких как мы, работа с коллегами и коллекциями естествознания в Полевом музее была особенно важна, поскольку они приносят ключевые идеи в области эволюции и биоразнообразия».Результаты исследования не только дают биологам лучшее понимание того, как рыбы оптимизировали свою механику плавания, но и могут быть полезны инженерам, разрабатывающим подводные автономные транспортные средства. Двигательные установки этих устройств должны быть одновременно эффективными и отзывчивыми, и, возможно, нет более удачных проектов, которые можно было бы скопировать, чем те, которые были усовершенствованы в ходе эволюции на протяжении миллионов лет.
«Многие проблемы, с которыми сталкиваются инженеры, похожи на те проблемы, для решения которых животные уже разработали решения с течением времени», — сказал Айелло. «Если мы начнем больше смотреть на биоинженерные технологии и включить некоторые из вещей, которые мы видим в природе, в наши инженерные устройства, я думаю, это поможет продвинуться вперед и быстрее решить некоторые из этих проблем».