Μαθήματα από τη ζυγαριά της λίμνης Τανγκανίκα που τρώει ψάρια

Αυτό το άρθρο παρουσιάστηκε αρχικά στο


Τύπος MIT

.

Αυτό το άρθρο είναι προσαρμοσμένο από το βιβλίο του Jeffrey McKinnon “


Οι αρχαίες μας λίμνες


.»

Ρίξτε μια ματιά γύρω από οποιοδήποτε κοινωνικό γεγονός και είναι προφανές ότι οι άνθρωποι, όπως όλα τα έμβια όντα, διαφέρουν ως επί το πλείστον σε οποιοδήποτε χαρακτηριστικό μπορεί να δει ή να μετρήσει.

Και

με τη νέα μας ικανότητα να

αλληλουχία ολόκληρων γονιδιωμάτων από χιλιάδες είδη

, μαθαίνουμε ότι ακόμα μεγαλύτερη ποικιλία κρύβεται στο DNA μας.

Το

να μάθουμε πώς όλη αυτή η παραλλαγή επιμένει ήταν μια από τις μεγάλες προκλήσεις της εξελικτικής βιολογίας.

Είναι λοιπόν αναζωογονητικό και μάλιστα έκπληξη ότι σε μια ηλικία

αυτοματοποιημένη αλληλουχία DNA

και την

τεχνητή νοημοσύνη

, σημαντική πρόοδος σε αυτό το μακροχρόνιο πρόβλημα προέρχεται από προσεκτικές μελέτες πεδίου ενός παράξενου ψαριού από μια απομακρυσμένη αρχαία λίμνη.

Η ιστορία μας ξεκινά το 1954, στις όχθες της λίμνης Τανγκανίκα στο τότε βελγικό Κονγκό, με λίγο

χαρτί

σχετικά με τις δίαιτες ψαριών με τίτλο «Μια περίεργη οικολογική «θέση» ανάμεσα στα ψάρια της λίμνης Τανγκανίκα».

Οι συγγραφείς, οι βιολόγοι Georges Marlier και Narcisse Leleup, περιγράφουν ένα ελάχιστα μελετημένο είδος ψαριών κιχλίδων. Σύμφωνα με τα ευρήματά τους, οι ενήλικες επιβιώνουν κυρίως από τα λέπια άλλων ψαριών, τα οποία ξεσκίζουν τη ζωντανή λεία τους με τρομακτικά δόντια. Οι Marlier και Leleup σημειώνουν ότι τα άτομα που κρατούσαν σε ένα ενυδρείο δεν θα έτρωγαν «γαιοσκώληκες, σκόνη ψαριών ή έντομα» ή οτιδήποτε άλλο παρουσίαζαν εκτός από τα λέπια των ζωντανών ψαριών.

Λίγες δεκαετίες αργότερα, σε μια από τις πρώτες μελέτες που εξέτασαν προσεκτικά την εξέλιξη σε αυτό και πολλά συγγενικά είδη, ο διαπρεπής βιολόγος ψαριών του Χάρβαρντ

Karel Liem

και ο συν-συγγραφέας του Ντόναλντ Στιούαρτ ερεύνησε τη μηχανική του πώς αυτά τα ψάρια εξελίχθηκαν για να τρέφονται με λέπια, με ιδιαίτερη έμφαση στα σαγόνια και τα δόντια τους. Περιέγραψαν ένα νέο είδος με ιδιαίτερα ακραία πλευρικότητα (ιδιαίτερα έντονη στροφή του κεφαλιού προς την αριστερή ή τη δεξιά πλευρά) και πρότειναν ότι η ασυμμετρία στο σχήμα των κρανίων αυτών των ψαριών συνδέθηκε με τη μακάβρια δίαιτά τους, που πιθανότατα παρέχει πλεονέκτημα στη διατροφή. Σημείωσαν επίσης ότι υπήρχαν παρόμοιοι αριθμοί δεξιών και αριστερών ατόμων.

Η εργαστηριακή

εργασία

παρείχε σημαντικές γνώσεις, αλλά ήταν μια μακροπρόθεσμη επιτόπια μελέτη, που εμφανίστηκε το 1993 στο

Επιστήμη

και με επικεφαλής τον Michio Hori, που άρχισε να εξηγεί την επιμονή της πλευρικότητας τόσο του αριστερού όσο και του δεξιού στόματος στους λάτρεις της ζυγαριάς της Τανγκανίκα. Για το μεγαλύτερο μέρος της δεκαετίας, παρουσίαζα την εργασία που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο κάθε φορά που δίδασκα ένα μάθημα στην εξέλιξη σε προπτυχιακούς φοιτητές βιολογίας. Είναι κυριολεκτικά μια μελέτη σχολικού βιβλίου.

Ο Χόρι ανακάλυψε ότι το ζώο μελέτης του,

Perissodus microlepis

, συνήθως επιτίθεται χτυπώντας το θήραμα στο πλάι του σώματος, πλησιάζοντας από πίσω για να είναι λιγότερο ορατό. Όταν ρυμούλκησε ένα θήραμα ψαριού πίσω από μια βάρκα και αιχμαλώτιζε όσους έτρωγαν άγρια ​​λέπια αφού το χτύπησαν, τα άτομα που επιτέθηκαν από τα δεξιά είχαν πάντα ένα στόμα με αριστερό στρίψιμο, ενώ τα άτομα που επιτέθηκαν από τα αριστερά είχαν πάντα ένα στόμα που έστριβε δεξιά. Ήταν επίσης σε θέση να αναγνωρίσει κλίμακες, από

Περισσόδος

στομάχια, καθώς προέρχονται από την αριστερή ή τη δεξιά πλευρά του θηράματος με βάση τα μοτίβα των πόρων τους. Όπως και με τις παρατηρήσεις χτυπήματος, τα ψάρια με το δεξί στριμμένο στόμα είχαν φάει λέπια από την αριστερή πλευρά του θηράματός τους και οι στριμμένα λέπια από τα δεξιά είχαν φάει λέπια από τη δεξιά.

Αλλά γιατί ο πληθυσμός που τρώει ζυγαριά θα πρέπει να παρουσιάζει τέτοια εξαιρετική διαφοροποίηση, με τα στόματα ορισμένων ατόμων να στρίβουν ορατά προς τα δεξιά και άλλα προς τα αριστερά;

Η απάντηση του Χόρι –

εξάρτηση από τη συχνότητα

—και τα στοιχεία που συνέλεξε για να το υποστηρίξουν, είναι ο λόγος που το χαρτί τράβηξε την προσοχή. Η εξάρτηση από τη συχνότητα εμφανίζεται όταν σπάνια χαρακτηριστικά ή στρατηγικές είναι πιο επιτυχημένες από τις κοινές. Είναι μια αρχή που απεικονίζεται όμορφα μέσα από τον αθλητισμό.

Όταν υπάρχουν άμεσοι διαγωνισμοί μεταξύ ατόμων, ένας μαχητής/συναγωνιστής μπορεί

αποκτήσουν πλεονέκτημα

έχοντας μια στρατηγική που είναι άγνωστη στους αντιπάλους. Για παράδειγμα, οι αριστερόχειρες ξιφομάχοι, που είναι γενικά λιγότερο συνηθισμένοι, θα είναι εξοικειωμένοι με τις επιθέσεις και τις άμυνες των δεξιόχειρων αντιπάλων, καθώς συναντώνται συχνά δεξιόχειρες. Αλλά οι δεξιόχειρες θα έχουν λιγότερη εμπειρία από αριστερόχειρες – δίνοντας στους σπάνιους αριστερόχειρες ένα πλεονέκτημα. Κατά συνέπεια, οι αριστεροί είναι σε μεγαλύτερη συχνότητα μεταξύ των ανταγωνιστικών ξιφομάχων από ό,τι στον γενικό πληθυσμό. Το ίδιο ισχύει για το κρίκετ, το μπέιζμπολ, το πινγκ-πονγκ και τις πολεμικές τέχνες. Σε αυτά τα υψηλά διαδραστικά αθλήματα (και σε άλλα), η λιγότερο κοινή πλευρικότητα – το να είσαι αριστερός – είναι πλεονεκτικό. Η επιτυχία εξαρτάται από τη συχνότητα, αρνητικά για την ακρίβεια: όσο αυξάνεται η συχνότητα κάποιου, η επιτυχία μειώνεται και όσο μειώνεται η συχνότητα, η επιτυχία αυξάνεται.

Ο Χόρι υπέθεσε ότι οι ζυγαριές μοιάζουν λίγο με τους ξιφομάχους. Αν οι ζυγαριές χτυπούσαν πάντα από τη μία πλευρά, ας πούμε, τη δεξιά, το θήραμά τους θα έπρεπε μόνο να προστατεύεται από προβλέψιμες επιθέσεις από μία μόνο κατεύθυνση και πιθανότατα θα μπορούσε να το κάνει αποτελεσματικά. Οποιοσδήποτε σπάνιος τρώγων ζυγαριάς που δαγκώνει από τα αριστερά θα πρέπει να τα πάει ιδιαίτερα καλά σε αυτήν την κατάσταση, ενάντια σε απροετοίμαστο θήραμα. Φυσικά, καθώς οι αριστεροί γίνονται πιο συνηθισμένοι, τα θηράματα θα πρέπει να στρέφουν την προσοχή τους ανάλογα. Έτσι, η κατάσταση θα πρέπει να οδηγήσει σε εξάρτηση από τη συχνότητα και στην επίμονη παρουσία τόσο των αριστερών όσο και των δεξιών επιτιθέμενων ζυγαριών στον πληθυσμό, σε περίπου πενήντα πενήντα.

Ο Χόρι μπόρεσε να δοκιμάσει την εξάρτηση από τη συχνότητα εκμεταλλευόμενος τα φυσικά σκαμπανεβάσματα στη σχετική αφθονία ψαριών με στόματα στραμμένα προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά. Περίπου κάθε 2,5 χρόνια, ο πληθυσμός μετατοπιζόταν από κυρίως αριστερό ψάρι σε κυρίως ψάρι με δεξί στριμμένο στόμα. Εξετάζοντας τις ουλές στις πλευρές των θηραμάτων, ο Hori ήταν σε θέση να υπολογίσει τη σχετική επιτυχία του μορφώματος που ήταν λιγότερο συνηθισμένο. Βρήκε ότι, όπως ήταν αναμενόμενο, όποιος τύπος περιστροφής ήταν λιγότερο άφθονος άφησε περισσότερες ουλές και πέτυχε πιο επιτυχημένα δαγκώματα, με τα ποσοστά επιτυχίας να ανατρέπονται όταν η συχνότητα της σπάνιας μορφής αυξήθηκε και έγινε η άφθονη ποικιλία.

Ο Hori συνήγαγε επίσης τη γενετική βάση της πλευρικότητας του στόματος από την επιτόπια εργασία του, προτείνοντας ότι ένα μόνο γονίδιο με δύο γενετικές παραλλαγές θα μπορούσε να ευθύνεται για

μεγάλο

μέρος της παραλλαγής στην κατεύθυνση της συστροφής, με κυρίαρχη τη δεξιά συστροφή.

Παρακολούθηση μελετών

σε άλλα εργαστήρια έχουν παράσχει πρόσθετες ενδείξεις ότι η πλευρικότητα μπορεί να κληρονομηθεί σε κάποιο βαθμό, αλλά όχι απαραίτητα μέσω ενός μόνο γονιδίου για το σχήμα της κεφαλής. Αντίθετα, η υπόθεση της εξάρτησης από τη συχνότητα έχει υποστηριχθεί κατηγορηματικά από

μια τολμηρή μελέτη

που είναι τόσο κομψά σχεδιασμένο όσο και υλικοτεχνικά δύσκολο.

Το 2018, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας διεξήγαγαν ένα από τα πολύ λίγα πειράματα χειραγώγησης πεδίου που έχουν πραγματοποιηθεί με μια κιχλίδα των Αφρικανικών Μεγάλων Λιμνών. Τοποθέτησαν μια σειρά υποβρύχιων περιβλημάτων σε βάθος έξι έως εννέα μέτρων στον πυθμένα της λίμνης Τανγκανίκα. Κάθε περίβλημα ήταν εφοδιασμένο με ψάρια θηράματος και κιχλίδες που τρώνε λέπια, είτε όλες αριστερές, είτε με ένα μείγμα πενήντα πενήντα από τα δύο – αλλά πάντα ο ίδιος συνολικός αριθμός θηραμάτων και αλάτων.

Με τις επιθέσεις να έρχονται αναμενόμενα από τη μία πλευρά, το θήραμα σε όλα τα περιβλήματα με αριστερό ή δεξιόστροφο, περίμεναν, θα μπορούσε να αποφύγει τους ζυγαριές καλύτερα από ό,τι με ένα μείγμα δεξιόστροφων και αριστερών

Περισσόδος

. Με την ίδια λογική, το

Περισσόδος

όσοι έτρωγαν ζυγαριά θα γνώριζαν τη μεγαλύτερη επιτυχία σίτισης στη μικτή ομάδα—και αυτό όντως συνέβαινε. Μέχρι το τέλος του πειράματος των τριών ημερών, τα ψάρια θηράματα που στεγάζονταν με ένα μείγμα αριστερών και δεξιόστροφων αλάτων είχαν χάσει περισσότερα λέπια κατά μέσο όρο και όσοι έτρωγαν λέπια ήταν πιο πιθανό να έχουν λέπια στο πεπτικό τους σύστημα.

Για τους χιλιάδες από εμάς τους λάτρεις των κιχλίδων που είμαστε διασκορπισμένοι σε κάθε ήπειρο εκτός από την Ανταρκτική, αυτά τα ευρήματα είναι ενδιαφέροντα απλά επειδή αποκαλύπτουν λίγο περισσότερα για τις περιπλοκές της ζωής αυτών των αγαπημένων ψαριών. Αλλά το έργο έχει πολύ ευρύτερο ενδιαφέρον και συνέπεια.

Πρώτον, οι ακτινοβολίες (όρος της εξελικτικής βιολογίας για τις διαφοροποιήσεις) του

κιχλίδα

Τα ψάρια στις Μεγάλες Λίμνες Τανγκανίκα, Μαλάουι και Βικτώρια της Αφρικής είναι οι πιο ασυνήθιστες προσαρμοστικές ακτινοβολίες από κάθε σπονδυλωτό και επίσης μια πιεστική προτεραιότητα διατήρησης. Σε κάθε λίμνη, ένας ή λίγοι πρόγονοι έχουν διαφοροποιηθεί γρήγορα για να αποδώσουν από περίπου 240 (Τανγκανίκα) σε 850 (Μαλάουι) νέα είδη. Η Βικτώρια, η νεότερη, είναι η πιο αξιοσημείωτη γιατί στέγνωσε σχεδόν εντελώς, αφήνοντας λίγο περισσότερο από βάλτους, περίπου 20.000 χρόνια πριν. Από την αναπλήρωση μερικές χιλιάδες χρόνια αργότερα, περίπου 500 είδη κιχλίδων έχουν εξελιχθεί σε αυτήν ακριβώς τη λίμνη. Αυτά τα είδη έκαναν χρήση της αρχαίας γενετικής παραλλαγής που παρέμεινε κυρίως σε μικρά σύνολα κατοίκων βάλτων, καθώς και ψάρια από την κοντινή κοιλάδα του δυτικού ρήγματος, που υβριδοποιήθηκαν ή διασταυρώθηκαν για να προκαλέσουν την τρέχουσα προσαρμοστική ακτινοβολία.

Η σημασία των

παραγωγή μικτών γενών

σε αυτές τις ακτινοβολίες είναι ένα από τα εκπληκτικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αφρικανικές λίμνες και από μελέτες άλλων αρχαίων συστημάτων λιμνών, αλλά το ίδιο είναι και η σημασία της «μόνιμης γενετικής διαφοροποίησης» στους πληθυσμούς και τα είδη. Επομένως, η κατανόηση των διαδικασιών που διατηρούν τη γενετική διαφοροποίηση μέσα σε ένα είδος, όπως η εξάρτηση από τη συχνότητα, είναι επίσης απαραίτητη για την κατανόηση του πώς έχουν συμβεί οι πιο γρήγορες διαφοροποιήσεις σε οποιοδήποτε σπονδυλωτό. Δεδομένου ότι έχουν ήδη υπάρξει πολλές κιχλίδες

εξαφανίσεις

σε μια από τις λίμνες, τη Βικτώρια, και όλοι τους βιώνουν ένα άσχημο μείγμα ανθρωπογενών

τονίζει

αυτές οι πληροφορίες πιθανότατα θα είναι σημαντικές και για τη διατήρηση.

Η ανακάλυψη και η διερεύνηση των διαδικασιών που είναι υπεύθυνες για την αξιοσημείωτη παραλλαγή που βλέπουμε καθώς αλληλουχούμε όλο και περισσότερα γονιδιώματα είναι επίσης σημαντική για την ανθρώπινη υγεία. Ένας βασικός λόγος για τον οποίο οι μεταμοσχεύσεις οργάνων, για παράδειγμα, είναι εμφανώς δύσκολες, είναι λόγω των εξαιρετικά μεταβλητών γονιδίων ιστοσυμβατότητας που χρησιμοποιεί το ανοσοποιητικό μας σύστημα για να αναγνωρίσει πιθανές απειλές. Αυτά έχουν εξελιχθεί μέσω

συνεξελικτικός

διεργασίες, όπως το εξελικτικό ταγκό των τρώγων ζυγαριάς και της λείας τους. Εκτός από αυτή την περίπτωση, είναι ανάμεσα σε εμάς (τους οικοδεσπότες) και τα παράσιτα που μας μαστίζουν.

Έτσι, η μοίρα μας συνδέεται με εκείνες άλλων πλασμάτων όχι μόνο μέσω των πολυάριθμων οικολογικών μας συνδέσεων, αλλά και με τις εξελικτικές διαδικασίες που διαμορφώνουν τον φυσικό κόσμο και επηρεάζουν τη ζωή μας με τον πιο βαθύ τρόπο – διαδικασίες που μεσολαβούν και στις δύο συχνότητες κατανάλωσης κιχλίδων. και αν ένας μεταμοσχευμένος νεφρός θα εξυπηρετήσει τον νέο του αποδέκτη μόνο για μερικές δύσκολες εβδομάδες ή πολλά υγιή χρόνια.

Τζέφρι ΜακΚίνον

είναι καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Ανατολικής Καρολίνας. Η έρευνά του τον οδήγησε σε κάθε ήπειρο εκτός από την Ανταρκτική και έχει εμφανιστεί σε περιοδικά όπως το Nature και το American Naturalist. Είναι συγγραφέας του «

Οι αρχαίες μας λίμνες: μια φυσική ιστορία

», από το οποίο προσαρμόστηκε αυτό το άρθρο.