Die visuelle Vielfalt der Lebewesen auf dem Planeten Erde beruht nicht so sehr auf dem Verlangen nach Schönheit und dem Wunsch, anders zu sein, sondern vielmehr auf dem Lebensraum, den Gewohnheiten und sogar den gastronomischen Vorlieben. Jemand zieht es vor, unbemerkt zu bleiben und sich aufgrund der Tarnfarbe und der ungewöhnlichen Körperform mit der Umgebung zu verbinden. Im Gegenteil, jemand spricht mit all seinem Aussehen zu jedem, der es wagt, sich zu nähern, über seine Giftigkeit. Und jemand liebt es einfach, vor einem Partner anzugeben und einen Konkurrenten in den Schlamm zu treten. Jedes visuelle Merkmal hat eine Funktion. Zum Beispiel die Farbe von Clownfischen der Art Amphiprion percula, die dank des Cartoons "Finding Nemo" weltberühmt wurde, ist mit ihrer Territorialität verbunden. Daher beschlossen Wissenschaftler des Okinawa-Instituts für Wissenschaft und Technologie (Japan) herauszufinden, wie und wo Clownfische ihre typischen weißen Streifen auf den Körper bekommen. Wenn Clownfische ihre Streifen zeigen, welche Mechanismen sind daran beteiligt und was haben Anemonen damit zu tun? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.
Grundlagen der Forschung
Clownfisch ist eine Gattung von Meeresrochenfischen aus der Familie der Pomacentral, die etwa 30 Arten umfasst, die in den Riffen des Indischen und Pazifischen Ozeans leben.
Clownfische sind trotz ihres heißen Temperaments der Teamarbeit nicht fremd.
Eines der bekanntesten Merkmale dieser Fische ist ihre symbiotische Beziehung zu Anemonen (Anemonen) - Organismen aus der Reihenfolge der Flucht vor Korallenpolypen. Sie sehen aus wie ein Bündel Tentakel (Cthulhu genehmigt) mit oder ohne Bein, das an festem Meeresboden befestigt ist. Anemonen führen einen sitzenden Lebensstil und ernähren sich von dem, was aufgrund ihrer Dummheit oder aufgrund des Zusammentreffens der Umstände in ihre Tentakel fällt. Es ist jedoch nicht möglich, scharfe Angriffe oder andere Angriffe zu sehen, da Anemonen ihre Beute mit Hilfe von stechenden Zellen (Knidozyten) töten (oder lähmen). Das gelähmte (bestenfalls bereits tote) Opfer wird dann mit Tentakeln in den Mund der Anemone überführt.
Aber Clownfische, die Anemonen betrachten, sehen keine Gefahr, sondern freie Unterkunft. Die Tentakel von Anemonen sind mit Schleim bedeckt und schützen sie vor der Einwirkung ihrer eigenen stechenden Zellen. Clownfische sind ebenfalls von diesem Schleim bedeckt, wodurch sie gegen tödliche Knidozyten immun sind. Fische verwenden Anemonen als Zuhause und sogar als Nahrungsquelle (Essensreste von Anemonen, von Tentakeln gefallen, Sekrete). Im Gegenzug reinigen sie die Anemonen von Trümmern, unverdauten Nahrungsmitteln und treiben Wasser durch die Tentakel, um "Belüftung" zu gewährleisten.
Viele Arten von Clownfischen sind äußerst eifersüchtig auf ihre Anemonen und vertreiben jeden, der sich einer Entfernung nähert, die sie für "verdächtig" halten. Mit anderen Worten, trotz ihres lustigen Namens verhalten sich diese Fische nicht wie freundliche Clowns aus der Licedea Tetra, sondern wie Pennywise.
Viele Wissenschaftler assoziieren die Farbe von Clownfischen und ihre Territorialität. Bisher war jedoch nicht bekannt, wie eine solche Farbe entsteht. Insbesondere Wissenschaftler waren immer verwirrt über die drei weißen Streifen am Körper von Erwachsenen, die die Jungen nicht haben. Dies weist darauf hin, dass die Fische während ihres Lebens eine Art Metamorphose durchlaufen. Es bleibt herauszufinden, welche.
Wissenschaftler stellen fest, dass die Hauptaufgabe der Biologie darin besteht, die Speziation zu verstehen. Dies beschränkt sich jedoch nicht nur auf das Verständnis des Unterschieds zwischen Arten (übertrieben), sondern auch auf das Verständnis der Ursachen und Mechanismen, die Unterschiede innerhalb einer Art verursachen, sei es physiologisch oder verhaltensbezogen.
Die Diversität innerhalb einer einzelnen Art kann als phänotypische Variation zwischen einzelnen Populationen ausgedrückt werden. Aber auch innerhalb einer separaten Population können Unterschiede auftreten, die durch den Einfluss der Umwelt, Verhaltensmerkmale oder Entwicklungsbedingungen verursacht werden.
In einigen Fällen kann die phänotypische Variabilität die Plastizität der adaptiven Entwicklung widerspiegeln, d.h. die Fähigkeit von Organismen, ihre Entwicklungswege zu ändern, um Phänotypen zu erzeugen, die genau an die Umweltbedingungen angepasst sind. Ein Beispiel für eine solche Plastizität ist die unterschiedliche Farbe bei Tieren derselben Art.
Mit Worten, es sieht recht einfach aus, aber tatsächlich sind solche plastischen Veränderungen mit komplexen Veränderungen auf physiologischer, zellulärer und molekularer Ebene verbunden. Wissenschaftler geben ehrlich zu, dass die Plastizität der Wissenschaft zwar bekannt ist, die ihr zugrunde liegenden Mechanismen jedoch praktisch nicht untersucht werden.
In diesem Sinne ist ein weiterer wichtiger und ungewöhnlicher Prozess zu erwähnen, der während der Entwicklung einiger Organismen auftritt - die Metamorphose. Dieser Prozess ist auf schwerwiegende Veränderungen in der Struktur des Körpers (oder eines Teils davon) im Verlauf der individuellen Entwicklung zurückzuführen. Die Metamorphose wird durch Schilddrüsenhormone (TH aus Schilddrüsenhormonen) reguliert ). Folglich können Änderungen der TH während der Metamorphose, die durch diese Hormone verursacht werden, sowohl den Prozess als auch das Ergebnis eines solch komplexen Transformationsprozesses des Körpers beeinflussen. TH spielt auch eine wichtige Rolle beim Übergang der Pigmentierung von der Larve zum Erwachsenen. Beispielsweise fördert TH im Zebrafisch ( Danio rerio ) die Reifung spezifischer Pigmentzellen, schwarzer Melanophore und gelber Xanthophoren.
Danio rerio wird auch als Damenstrumpf bezeichnet (der sagte, dass Ichthyologen keinen Sinn für Humor haben).
Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein ähnliches Muster bei Clownfischen beobachtet werden sollte. In der Arbeit, die wir heute betrachten, haben Wissenschaftler beschlossen, die Beziehung zwischen TH und der Metamorphose der Farbe von Clownfischen zu testen und auch den möglichen Einfluss des Lebensraums (zwei verschiedene Arten von Anemonen) auf diesen Prozess zu berücksichtigen.
Die Studie konzentriert sich auf eng verwandte Arten Amphiprion ocellaris und Amphiprion percula , die in Symbiose mit Anemonen im tropischen Indopazifik leben. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass junge A. percula je nach Art der Anemonen, in denen sie leben, unterschiedliche Raten der Bildung weißer Streifen aufweisen: bei den Anemonen der Art Stichodactyla giganteaStreifen erscheinen in der Seeanemone Heteractis Magnifica schneller und langsamer. Folglich wird die Bildung von Streifen (d. H. Bestimmte metamorphe Veränderungen) nicht nur durch interne Faktoren (Schilddrüsenhormone), sondern auch durch externe Faktoren (Lebensraum) beeinflusst.
Forschungsergebnisse
Während der postembryonalen Entwicklung erwerben Amphiprion- Individuen allmählich Streifen an Kopf, Rumpf und Schwanzstiel. In Kimbe Bay, Papua-Neuguinea, kommt A. percula in zwei verschiedenen Anemonenarten vor: S. gigantea und H. Magnifica , aber die dort lebenden Fische gehören derselben Population an.
Bild 1
Die junge A. percula, die in der Seeanemone S. gigantea lebt, hat jedoch mehr weiße Streifen als die junge A. percula, die in der Seeanemone H. Magnifica lebt . Bei 33% von 148 Personen (200 bis 250 Tage alt) in Anemonen S. gigantea hatte drei weiße Streifen, während nur 5% von 118 gleichaltrigen Personen in H. Magnifica drei Streifen hatten ( 1A und 1B ).
Beobachtungen legen nahe, dass die Anemonenart (d. H. Der Lebensraum) den Zeitpunkt der Bildung weißer Streifen bei jungen A. percula beeinflusst . Die multiple Regressionsanalyse half dabei, die Richtigkeit dieser Aussage zu überprüfen, wodurch die Abhängigkeit einer Variablen von zwei oder mehr unabhängigen Variablen festgestellt werden kann. Wie erwartet bestätigte die Analyse, dass in S. gigantea lebende Jugendliche immer mehr Streifen hatten als Individuen der Seeanemone H. Magnifica( 1C und 1D ).
Bild №2 Die
Bildung von Streifen steht in direktem Zusammenhang mit dem Prozess der postembryonalen Entwicklung, insbesondere mit der Metamorphose. Durch Verfolgung der Stadien dieses Prozesses ist es daher möglich, eine Verbindung zwischen den Banden und dem Spiegel der Schilddrüsenhormone (TH) herzustellen.
Ansicht A. ocellaris zeigt zwei Pigmentierungsschemata in der Entwicklung der Zeit vor dem Schritt №5 (etwa 9 Tage nach dem Schlüpfen). Die Larven haben eine gelbe ksantofory * mit einer Reihe von Sternmelanophoren, die zwei horizontale Streifen bilden, die die Myotome * bedecken (rot) Pfeile auf der 2A- 2D ).
Chromatophore * - pigmenthaltige oder lichtreflektierende Zellen, je nach Farbe in Unterklassen unterteilt:
Xanthophoren - gelb;
Erythrophoren - rot;
Leukophoren - weiß;
Melanophore - schwarz / braun;
Cyanophore - blau;
Iridophore - silbrig.
Miotom * ist ein paarweises Rudiment von Skelettmuskeln in den Embryonen von Akkordaten.Ab dem fünften Stadium erhalten die Larven drei weiße vertikale Streifen (weiße Pfeile bei 2E - 2G ), orangefarbene Xanthophoren außerhalb der zukünftigen weißen Streifen (orangefarbene Pfeile bei 2E) und Melanophoren, die im gesamten Körper verteilt sind (schwarze Pfeile bei 2E und 2F ). . Diese Melanophore sind im ganzen Körper vorhanden und haben eine höhere Dichte am Rand der weißen Streifen ( 2F und 2G ).
Für ein besseres Verständnis der Veränderungen im Muster auf dem Körper von Individuen, die im vierten Stadium auftraten, war es notwendig, die Expression von Pigmentierungsgenen im postembryonalen Stadium zu bewerten. Zu diesem Zweck wurde in jedem Entwicklungsstadium RNA für die Transkriptomanalyse aus den Larven extrahiert. Der Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Pigmentierungsgenen ( 2H ), insbesondere von Iridophor-Genen, da diese für die Bildung weißer Streifen verantwortlich sind.
Es wurde festgestellt, dass sich die Stufen 1 bis 3 deutlich von den Stufen 4 bis 7 in der Hauptkomponente 2 (PC2; 2H und 2I ) unterscheiden.
(PCA principal component analysis) — , .Unter den mit PC2 verwandten Genen waren die Gene fhl2b, pnp4a und prkacaa in den Stadien 5 bis 7 im Vergleich zu den Stadien 1 bis 3 stärker ausgeprägt. Andererseits waren die Gene gbx2, trim33, gmps und oca2 in den Stadien 1 bis 3 im Vergleich zu den Stadien 5 bis 7 ( 2J ) stärker ausgeprägt .
Während der Analyse wurde auch eine klare Aufteilung der Stadien für alle funktionellen Kategorien beobachtet: Spezifikation von Pigmentzellen, Entwicklung von Xanthophoren, Synthese von Pteridinpigmenten von Xanthophoren, Entwicklung von Melanophoren, Regulation der Melanogenese und Biogenese von Melanosomen.
Diese Beobachtungen legen nahe, dass es im vierten Stadium eine wichtige Verschiebung der Farbentwicklung gibt, an der alle drei Arten von Pigmentzellen beteiligt sind.
Angesichts der Tatsache, dass Schilddrüsenhormone (TH) eine wichtige Rolle im Metamorphoseprozess spielen, der das Pigmentierungsmuster bei vielen Teleostfischen steuert, ist es logisch, dass TH den Zeitpunkt der Bildung weißer Streifen während der Metamorphose von Clownfischen reguliert.
Um diese Hypothese zu testen, wurden Versuche durchgeführt , in denen Larven der dritten Entwicklungsstufe zu verschiedenen Konzentrationen ausgesetzt waren (10 -6 , 10 -7 und 10 -8 M) der aktiven Schilddrüsenhormon T3. Drei Tage nach der Behandlung mit T3 zeigten die Probanden ein früheres Auftreten weißer Streifen als Personen aus der Kontrollgruppe.
Bild Nr. 3
Dieser Beschleunigungseffekt war dosisabhängig von T3. Drei Tage später traten zwei Banden im folgenden Anteil der Versuchspersonen auf: 0% - Kontrollgruppe; 50% - bei 10 & supmin; & sup8; M T & sub3 ;; 78% - 10 -7 M und 73% - bei 10 -6 M ( 3A - 3E ).
Dann wurde ein ähnlicher Test durchgeführt, jedoch mit Blockierung von TH mittels einer Mischung aus MPI (Methimazol, Kaliumperchlorat und Iopansäure). Die behandelten Larven des dritten Entwicklungsstadiums zeigten eine Verzögerung von neun Tagen bei der Bildung weißer Streifen im Vergleich zur Kontrollgruppe (Testgruppe bei 3H und Kontrollgruppe bei 3G)). Etwa 75% der Personen aus der Kontrollgruppe hatten Streifen an Kopf und Körper, aus der Testgruppe hatten nur 15% der Personen Streifen, der Rest blieb ohne Pigmentierung ( 3F ). Weiße Streifen in den Fischen aus der Testgruppe bildeten sich trotz TH-Blockierung alle, jedoch erst nach 25 Tagen ( 3I ).
Die Manipulationen mit TH wirkten sich auch auf die Pigmentzellen aus. Die Anzahl der Melanophore stieg innerhalb von 48 Stunden nach der Anwendung von 10-6 M T3 ( 3J ) signifikant an . Andererseits führte die Blockierung von TH mit MPI zu einer fast unmerklichen Abnahme der Anzahl von Melanophoren 48 und 72 Stunden nach der Behandlung ( 3J ).
Zusammengenommen legen die Ergebnisse dieser Tests nahe, dass TH den Zeitpunkt der Bildung weißer Streifen steuert und auch Pigmentzellen (Iridophore und Melanophore) beeinflusst.
Um genauer zu bestimmen, wie genau TH Iridophore beeinflusst, analysierten wir die Expression der Iridophor-Gene (fhl2a, fhl2b, apoda.1, saiyan und gpnmb) nach Behandlung von Larven mit exogenem TH.
Die Larven des dritten Entwicklungsstadiums wurden 12, 24, 48 und 72 Stunden lang mit T3 in verschiedenen Konzentrationen (10-6, 10-7 und 10-8 M) behandelt. Die Expression der untersuchten Gene wurde unter Verwendung von Nanostingen in aus ganzen Larven isolierter RNA kontrolliert.
Nach der Behandlung mit T3 wurden viel mehr Transkripte dieser Gene nachgewiesen als in der Kontrollgruppe (ohne T3-Behandlung). In einigen Fällen (apod1a und gpnmb) trat dieser Effekt nach 12 Stunden auf, in anderen (fhl2a, fhl2b und saiyan) erst nach 24 oder 48 Stunden. Daraus folgt, dass TH die Expression von Genen beeinflusst, die in den Iridophoren von Clownfischen exprimiert werden.
Als nächstes beschlossen die Wissenschaftler zu testen, ob TH die Differenzierung von Iridophoren fördert. Hierzu wurden Larven des dritten Entwicklungsstadiums lange Zeit mit T3 (Dosis 10 -6 M) behandelt . Dies war ein Vergleich von Jungtieren im sechsten Stadium, als sich bei Clownfischen Streifen auf Kopf und Körper zu entwickeln beginnen.
Seltsamerweise bildeten die Jugendlichen aus der Testgruppe (T3-Behandlung) im Gegensatz zur Kontrollgruppe keine vollständigen Banden. Eine detaillierte Untersuchung von Personen aus der Testgruppe ergab zahlreiche ektopische Iridophore an den Seiten. Diese Fische hatten auch eine weniger lebendige orange Farbe.
Die Verarbeitung mit MPI führte zu normalen Streifen. Die Farbe war jedoch aufgrund eines Mangels an Iridophoren oder kristallinen Guaninablagerungen innerhalb der Iridophoren trüber, was normalerweise für die weiße (oder schillernde) Farbe der Streifen verantwortlich ist ( 3I ).
Diese Ergebnisse legen nahe, dass exogenes TH zu einer Abnahme der Orangenfärbung und zu Defekten bei der Bildung weißer Streifen führt.
Bild Nr. 4
Die TH-Behandlung beschleunigte jedoch den Streifenprozess. Denken Sie daran, dass Fische der A. percula- Art, die in der Seeanemone S. gigantea leben , schneller weiße Streifen bilden als ihre Gegenstücke, die in Anemonen einer anderen Art leben. Daher muss ein Zusammenhang zwischen Streifenbildung, TH und Lebensraum bestehen.
Um dies zu überprüfen, wählten die Wissenschaftler 12 Individuen mit einer Größe von 12 bis 27 mm (ein weißer Streifen bildet sich entweder oder bildet sich bereits), die in S. gigantea (n = 6) und in H. Magnifica (n = 6) leben. Als nächstes maßen die Wissenschaftler den TH-Spiegel jedes Einzelnen.
Ein Vergleich zeigte, dass die T3-Konzentrationen bei jungen Tieren aus signifikant höher waren S. gigantea gegen die von H. Magnifica ( 4A ). Als nächstes wurde ein Vergleich der Genexpression in jungen Tieren von H. Magnifica (n = 3) und von S. gigantea (n = 3) durchgeführt.
Von den analysierten 19063-Genen waren nur 21 bei Personen aus S. gigantea signifikant stärker exprimiert, während 15 bei Personen aus H. magna ( 4B ) signifikant stärker exprimiert wurden .
Unter den differentiell exprimierten Genen wurde das Duox-Gen gefunden, das eine Doppeloxidase codiert, die an der TH-Produktion beteiligt ist. Dieses Gen wurde in S. gigantea im Vergleich zu H. Magnifica überexprimiert . Folglich ist die Geschwindigkeit der Bildung weißer Streifen in A. percula mit dem unterschiedlichen T3-Spiegel verbunden, der wiederum mit der unterschiedlichen Duox-Expression verbunden ist.
Im Endstadium überprüften die Wissenschaftler, ob Duox erforderlich ist, um das Iridophormuster zu bilden. Für diesen Test wurden Zebrafische verwendet, bei denen die Reifung von Iridophoren von TH abhängt.
In den Larven der Kontrollgruppe bildeten dicht gepackte Iridophore eine breite Zwischenreihe, dann begann sich die zweite Zwischenreihe ventral zu bilden. Bei Larven mit Duox-Mangel hat sich nur eine breitere Zwischenzone ( 4C ) entwickelt .
Infolgedessen entwickelten die meisten Fische aus der Kontrollgruppe zwei vollständige Zwischenreihen, während bei den Fischen mit Duox-Mangel nur eine ( 4D und 4E ) auftrat. Dies legt nahe, dass Duox, das vermutlich durch TH wirkt, zum Zeitpunkt des Auftretens der Zwischenbandregionen des Iridophors und zur Bildung des Musters zwischen den Banden im Zebrafisch beiträgt.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
In dieser Arbeit beschlossen die Wissenschaftler, das Geheimnis der weißen Streifen auf dem Körper von Clownfischen zu enthüllen. Es stellte sich heraus, dass diese unkomplizierte Farbe (insbesondere im Vergleich zu einigen anderen Fischen) das Ergebnis der gemeinsamen Arbeit mehrerer wichtiger Faktoren ist: Gene, Hormone und sogar Anemonen, in denen Clownfische leben.
Die ungewöhnlichste Beobachtung war, dass Fische aus derselben Population, die jedoch in zwei verschiedenen Anemonenarten leben, ihre Farbe unterschiedlich (zeitlich) bilden. Ein Vergleich der Gene dieser Fische ergab, dass sich nur 36 Gene unterscheiden. Unter ihnen haben Wissenschaftler das Duox-Gen isoliert, das ein gleichnamiges Protein codiert, das an der Bildung von Doppeloxidase beteiligt ist. Dieses Gen spielt eine wichtige Rolle bei der Produktion von Schilddrüsenhormonen (TH), die wiederum die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der sich Pigmentmuster auf dem Körper von Clownfischen bilden.
Aber warum „färben“ Fische einer Seeanemone schneller als andere? Wissenschaftler sind noch nicht bereit, eine genaue Antwort zu geben, aber sie haben eine Theorie. Actinia, bei der sich Körperstreifen schneller bilden, ist wahrscheinlich giftiger. Daher steigen die Schilddrüsenhormonspiegel als Reaktion auf diese Toxizität an.
Wissenschaftler selbst glauben, dass der Unterschied in der Geschwindigkeit der Streifenbildung bei Individuen aus derselben Population nur eines von vielen Anzeichen für unterschiedliche Anpassungstaktiken ist, mit denen Fische die effektive Koexistenz mit Anemonen erhöhen. In Zukunft wollen sie eine noch gründlichere vergleichende Analyse von Fischen durchführen, die in verschiedenen Anemonen leben, um zusätzliche Unterschiede zu identifizieren.
Die Natur scheint einfach und unkompliziert: Bäume wachsen, Vögel singen, Bienen summen usw. Bei näherer Betrachtung stellen wir jedoch fest, wie viele komplexe Prozesse im Leben selbst des kleinsten Insekts oder der am weitesten verbreiteten Pflanze ablaufen. Alle Eigenschaften, Merkmale und Qualitäten eines Organismus sind das Ergebnis einer langen und sorgfältigen Entwicklung, deren Hauptziel das Überleben ist. Und wenn ein Organismus in einer sich ständig verändernden Welt überleben will, muss er das gesamte Arsenal an adaptiven Talenten nutzen, vom primitivsten bis zum komplexesten.
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