Эволюционные ограничения, выявленные в разнообразии черепов рыб

В водной среде питание за счет всасывания (suction feeding) встречается гораздо чаще, чем захват добычи укусом (biting). Новое исследование показывает, что эволюция поведения "укуса" у угрей привела к значительному разнообразию форм черепа, что указывает на ограниченность форм черепа у большинства рыб структурными требованиями для питания всасыванием.

"Когда вы смотрите на черепа "кусающих" рыб, разнообразие поражает по сравнению с "всасывателями", — говорит Рита Мехта, доцент экологии и эволюционной биологии в UC Santa Cruz.

Угри, насчитывающие более 800 видов, включая как "всасывателей", так и "кусающих", — идеальная группа для изучения эволюции пищевого поведения и форм черепа. Команда Мехты построила эволюционные взаимоотношения между многими видами угрей и их близких родственников, чтобы понять факторы, способствующие или ограничивающие морфологическое разнообразие. Результаты опубликованы 17 ноября в Nature Communications.

Угри эволюционировали от предков-"всасывателей", но "укус" появился рано в их эволюции, и подавляющее большинство угрей — "кусающие". Однако в нескольких линиях угрей питание всасыванием появляется вновь, независимо эволюционировав в отдельных ветвях. Это позволило команде изучить эволюцию обоих типов питания и сравнить морфологическое разнообразие черепов в разных линиях.

"Черепа "кусающих" рыб в три раза разнообразнее, чем у "всасывателей". Это невероятный рост разнообразия только из-за смены стратегии питания, — отмечает Мехта. — "Всасыватели" развивают одни и те же черты снова и снова, в то время как "кусающие" идут во многих разных направлениях".

Питание всасыванием требует строго скоординированных движений нескольких костей черепа для быстрого увеличения объема ротовой полости и создания потока воды, достаточно сильного, чтобы втянуть добычу. Общие черты "всасывателей" включают короткий череп, сильные челюсти, хорошо развитую подъязычную кость (hyoid bone) и большие крышечные кости (opercula).

"Все эти разные части анатомии должны работать вместе, чтобы создать всасывание, поэтому есть лишь несколько способов эволюции такого питания, — объясняет Мехта. — У "кусающих" рыб подъязычные кости всех размеров, короткие и длинные черепа, все типы зубов в разных местах ротовой полости — это гораздо более вариабельная и гибкая стратегия питания".

Муреновые угри, одно из крупнейших семейств, все являются "кусающими" и развили некоторые из самых экстремальных морфологических особенностей. В статье 2007 года в Nature Мехта сообщила, что после захвата добычи у мурен из задней части глотки выдвигается второй набор челюстей, чтобы схватить жертву и протолкнуть её в пищевод.

"Мурены — исключение, они действительно раздвигают границы морфологического пространства до крайностей, — говорит Мехта. — Укус и всасывание не исключают друг друга — многие "кусающие" всё ещё используют всасывание, чтобы проглотить добычу, — но мурены полностью утратили способность к всасыванию".

Несколько неожиданно исследователи не обнаружили разницы в скорости накопления морфологических изменений в линиях с разными типами питания. Другими словами, "всасыватели" накапливали изменения с той же скоростью, что и "кусающие", но эти изменения происходили в гораздо более ограниченном "морфологическом пространстве". Изменения же в линиях "кусающих" привели к значительно большему разнообразию форм черепа.

Филогенетический анализ провел Дэвид Коллар, постдок в лаборатории Мехты и первый автор статьи (ныне в Университете Массачусетса в Бостоне). Соавторы — Питер Уэйнрайт (UC Davis), Майкл Альфаро (UCLA) и Лиам Ревелл (Университет Массачусетса Бостон). Исследование финансировалось Национальным научным фондом (NSF).