Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул

Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул
Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 0 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 1 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 2 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 3 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 4 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 5 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 6 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 7 Зачем тигровая акула отказалась от плаценты? Эволюция тигровых акул 8

Что такое плацента?


Плацента (детское место, лат. placenta - "лепёшка") - это эмбриональный орган, существующий у женских особей и только во время беременности.

По внешнему виду она похожа на круглый плоский диск.

Плацента вместе с оболочками плода (так называемый послед) выходит из половых путей через 5-60 минут после появления на свет детёныша.

В плаценте различают две поверхности: материнскую, прилегающую к стенке матки, и противоположную - плодовую.


В начале своего развития зародыши используют желток, богатый калорийным лецитином. После этого часть тонкой капсулы яйца и стенка уже пустого желточного мешка, снабжённого кровеносными сосудами, формируют складки, которые плотно смыкаются (прирастают) с углублениями в стенке матки.

За счёт образовавшихся складок увеличивается площадь поверхности контакта организмов матери и детёныша. Образовавшийся сложный комплекс и называется плацентой.

Путём осмоса и диффузии кислород и питательные вещества из кровотока матери попадают в кровоток зародыша, а продукты распада - в кровь матери.


Удивительно, что подобную плаценту акул впервые описал Аристотель в 4 веке до нашей эры, опередивший своё время на два тысячелетия своими научными исследованиями.

Он утверждал, что акулы обладают настоящим живорождением, когда между зародышем и организмом возникают такие тесные связи (детёныши ещё в утробе матери питаются через плаценту).

В частности, в своих трудах он описывал самку гладкой акулы, которая откладывает яйца в собственное тело, где они крепятся особой плацентой.

Над такой античной "выдумкой" смеялись 22 столетия, пока в середине 19 века Иоганн Мюллер не установил абсолютной правоты Аристотеля.






Новая загадка человечеству от тигровых акул


Тигровые акулы известны как хищники, имеющие невероятный, и даже шокирующий, рацион питания: они поедают всё – начиная от птиц, черепах и дельфинов и заканчивая несъедобными предметами.

Но мало кто знает, что тигровая акула - один из немногих видов, которые эволюционировали, "отказавшись" от плаценты, с помощью которой их предки и ныне живущие родственники выращивали своё потомство.

Как показало новое исследование 2016 года, такое резкое изменение в репродуктивной стратегии хищниц оставило следы в генах акулы, и учёные решили расшифровать этот таинственный эволюционный скачок.

Акулы были одними из первых животных на планете, родивших живого ребёнка. Сегодня из 507 описанных на данный момент видов акул около 70% являются живородящими, остальные – откладывают яйца. Все развивающиеся внутри акул эмбрионы изначально представляют собой питающийся плод - желточный мешочек.

В кладке яиц по виду желтка можно определить стадию развития зародыша и увидеть эмбрионы до их вылупливания. Также биологи могут наблюдать, когда малыш акулы начинает кормиться самостоятельно.


Для видов, отличающихся способностью "живых родов", характерен способ доставки дополнительного питания матери после того, как заканчивается желток. Количественная форма этой дополнительной "материнской заботы" значительно варьируется от вида к виду.

Многие виды акул используют более привычную для млекопитающих стратегию прямого обмена питательными веществами между матерью и плодом через плаценту.


Тигровые акулы принадлежат к семейству Carcharhinidae (серые акулы, или кархариновые). Все кархариновые акулы являются плацентарными, за исключением тигровой.

Одна из целей данного исследования состояла в том, чтобы проверить гипотезу, что тигровая акула в большом количестве продуцирует в матке энергетически богатые питательные вещества (маточную жидкость) для формирования оплодотворённых яиц и быстрого выращивания эмбрионов, чтобы те могли активно набирать вес.

Согласно расчётам, разница в весе между эмбрионом в конце цикла беременности и оплодотворённым яйцом в начале цикла составляла 2119% в сырой массе и 1092% в пересчёте на сухую массу.

Путём измерения общего содержания энергии в жидкости по химическому потреблению кислорода (chemical oxygen demand), авторы показывают, что в случае с тигровой акулой желтоватая маточная жидкость является высокоэнергетическим субстратом, который питает эмбрионов очень большого размера.

Учёные назвали этот процесс "эбриотрофия" (embryotrophy) - возможность воспроизводства большого количества крупных эмбрионов, у которых нет плацентарного соединения.





Реквием по плаценте


Плацентарное развитие у акул, как полагают, эволюционировало только единожды.

Как и её ближайшие родственники, тигровая акула, вполне вероятно, когда-то имела плаценту, которая позже была утрачена в процессе эволюции.

Такое резкое изменение в репродуктивной стратегии весьма редко для рыбы. После того, как вид эволюционировал в воспроизводстве, его потомки потеряли способность плацентарного развития потомства.

Таким образом, тигровые акулы предоставляют уникальную возможность взглянуть на генетические изменения, связанные с потерей плаценты. Именно на это и были направлены усилия группы учёных во главе с Винсентом Саволайненом из Имперского колледжа в Лондоне.

Они провели масштабное генетическое исследование, результаты которого опубликовали в научном журнале "Эволюционная биология" (BMC Evolutionary Biology) за июнь 2016 года.


Все позвоночные изначально в кормлении своего потомства используют запасы желтка, - поясняют учёные.

У некоторых видов живородящих эти запасы желтка могут быть комбинированы дополнительным питанием через плаценту.

Акулы, принадлежащие к семейству Carcharhinidae, все живородящие, за исключением вида Galeocerdo cuvier, потерявшего плацентарную связь с эмбрионом после исчерпания запасов желтка.

Филогенетические отношения предполагают отсутствие плаценты у тигровых акул из-за вторичной потери. Это представляет собой резкое изменение в репродуктивной стратегии, и, скорее всего, оставили молекулярный след положительной селекции внутри генома.





Родословная "тигровых" генов


Команда исследователей решила взять образцы мышечной ткани одной особи тигровой акулы и восьми плацентарных видов акул, выловленных у побережья Багамских островов.

Всего в эксперименте принимали участие 5 семейств - Carcharhinidae, Sphyrnidae, Hemigaleidae, Leptochariidae и Triakidae.

Затем учёные расшифровали транскриптомы семи плацентарных и двух неплацентарных видов акул в качестве генетических групп для проведения сравнения среди кархаринообразных акул.

Построив филогенетическое дерево родства видов, исследователи смогли отыскать доказательства положительного отбора для отдельных генов тигровой акулы.

Различия транскриптомов тигровых акул по сравнению с их плацентарными родственниками предполагает, что эти гены были связаны с потерей плаценты.

Используя данные от ископаемых материалов, исследователям удалось установить, что тигровые акулы разошлись в эволюционном пути с плацентарными акулами примерно 94 млн лет назад.

У тигровых акул мы определили 5 генов (TCTEX1D2, VAMP4, ARL6IP5 и гены YWHAE), которые, возможно, и сыграли определённую роль в адаптации этого вида после потери плаценты.

Эти гены в значительной степени влияют на такие характеристики индивидуума, как половое размножение и чувственное восприятие.

Мы установили, что, по крайней мере, четыре из этих генов причастны к эволюции в развитии мозга и производстве спермы у тигровых акул.

Дополнительное маточное питание способствует возрастанию эмбриональных темпов развития энергетически затратных тканей, таких как мозг. Поэтому увеличение репродуктивного питания зародышей является следствием большего размера мозга по отношению к массе тела.


Таким образом, биологи обнаружили у тигровых акул свидетельство позитивной селекции в генах, кодирующих белки, связанные с развитием мозга (YWHAE и ARL6IP5), а также с половым размножением (VAMP4 и TCTEX1D2).



Тигровые акулы - "половые гиганты" в конкуренции


Гены VAMP4 и TCTEX1D2 участвуют в процессе выработки спермы.

Белок динеин, закодированный с помощью TCTEX1D2, необходим для функционирования ресничек и жгутиков сперматозоидов многих видов существ, включая человека, мышей, костистых рыб и морских ежей.

У лабораторных мышей, лишённых гена TCTEX1D2 в результате повышенного апоптоза в мужских половых клетках, снижалась подвижность сперматозоидов и нарушался сперматогенез.

Исключение из работы VAMP4, между тем, сказывалось на изменение состава спермы.


Учитывая всё, что известно об этих генах, исследователи предполагают, что изменения в их экспрессии у тигровых хищниц может означать, что потеря плаценты вызвала изменения в сексуальном поведении акул.

Гены имеют значение для морфологии сперматозоидов и их гидродинамики, поэтому положительный отбор в TCTEX1D2 и VAMP4 может изменять количество и подвижность сперматозоидов, что может быть ответом на изменения в конкуренции спермы у тигровых акул, вызванных потерей плаценты.

Например, в случае с человеком, когда существует сильная конкуренция спермы, индивиды могут получать конкурентное преимущество за счёт увеличения производства генетического материала.

Тем не менее, существует компромисс между размером и количеством сперматозоидов.

Исследование показало, что тигровые акулы претерпели обширные изменения в морфологии сперматозоидов, которые продемонстрировали изменение своей интенсивности после совокупительного полового отбора. В частности, тигровые акулы, в отличие от других видов акул, имеют меньшую длину жгутика сперматозоида.

Короткая форма сперматозоидов обычно означает, что самцы могут производить больше спермы, получая преимущество в конкуренции.

Таким образом, данные свидетельствуют о позитивной селекции генов TCTEX1D2 и VAMP4 у тигровых акул, что может отражать эволюцию в увеличении количества спермы и более коротких размеров сперматозоидов, что напрямую влияет на усиление конкуренции спермы.




Беременность и размножение тигровых акул


Тигровые акулы имеют период беременности приблизительно 15-16 месяцев - это на несколько месяцев дольше, чем многие плацентарные кархариновые.

Самки характеризуются трехгодичным репродуктивным циклом т.е. приносят потомство один раз в 3 года, после одного года сексуального бездействия.

Мужские же особи характеризуются ежегодной сексуальной активностью.

Это означает, что в период размножения среди самцов существует значительная конкуренция. Самки спариваются одновременно с несколькими самцами, и поэтому "конкурс отцов" происходит после совокупления путём "соревнования" сперматозоидов.

На основании исследования мы предполагаем, что изменения в TCTEX1D2 и VAMP4 отражают увеличение у самцов тигровых акул количества сперматозоидов, а также повышенную способность адаптироваться к усиливающейся конкуренции.


Как правило, детёныши рождаются длиной от 50 до 70 сантиметров, но в зависимости от того, в каком регионе они родились, молодь по размерам может быть значительно больше.

Например, в акватории Гавайских островов размер новорождённых тигровых акул достигает 80-90 сантиметров.

Среднее число акулят в помёте составляет 40 особей, общее количество колеблется от 10 до 80 особей.





Эволюция мозга - тигровые акулы более живучие


Свидетельства положительного отбора были найдены в двух генах, связанных с развитием мозга - ARL6IP5 и YWHAE.

Мозг является одним из самых энергетически затратных органов тела. Ранее уже было доказано, что ген YWHAE связан с развитием мозга у человека.

Согласно исследованию, эволюционные изменения в этом гене у тигровой акулы произошли из-за адаптации к снижению уровня потребляемой энергии.

Мы предполагаем, что у взрослых особей неплацентарных акул размер мозга должен быть немного меньше по отношению к массе тела, по сравнению с плацентарными видами.

По мнению учёных, животные должны поддерживать баланс между затратами энергии на "обслуживание" головного мозга и других органов при воздействии гипоксии (см. ниже).


Другой ген, ARL6IP5, кодирует трансмембранный белок. Это влияет на ингибирование белка EAAC1, который регулирует появление и выделение глутамата (важнейшего нейротрансмиттера) в клетках мозга. EAAC1 связан с развитием нейронов у позвоночных и беспозвоночных животных.

Когда клетки лишаются кислорода, уровень глутамата в нейронах увеличивается, вызывая гибель нейронов и потенциальное повреждение мозга.

Тигровые акулы с их распространённостью практически по всему миру, часто оказываются в бедной кислородом среде.

В таких зонах, в результате нехватки кислорода, активизация ARL6IP5 является адаптацией тигровых акул к экстремальной (критической) среде обитания - в условиях гипоксии они могут продолжить активный образ жизни (например, охота на быструю добычу), что существенно увеличивает их шансы на выживание в обеднённых кислородом водах.

Способность поддерживать уровни глутамата ниже повреждающих порогов означает, что тигровые акулы могут использовать в эксплуатации широкое разнообразие сред обитания.

Проникая в малопригодные для жизни других хищников акватории, тигровые акулы, таким образом, осуществляют экспансию районов, где может укрываться добыча.

Современными доказательствами данного конкурентного преимущества является повсеместное присутствие тигровых акул в прибрежных и пелагических водах по всему миру, а также их разнообразный рацион питания.

Кроме того, тигровые акулы также проводят значительное время на мелководье и неритических зонах, где концентрации растворённого в воде кислорода существенно колеблются в течение суток.







Основные тезисы исследования (перевод)


Аристотель был первым, кто описал процесс рождения животными живых детёнышей (т.е. живорождение), в то время как другие откладывают яйца (то есть кладка яиц).

Живорождение может предоставить селективные преимущества для родителей и их потомства, такие, как повышение выживаемости детей, компенсирующая низкую плодовитость, усиление репродуктивных ниш для снижения конкуренции, эксплуатация различных пелагических зон, колонизация новых мест обитания, и, возможно, повышение энергетической эффективности.

Недостатки могут включать в себя снижение плодовитости у женских особей, а также риск потери расплода при материнской смертности.

Живорождение, как полагается, впервые появились более 350 миллионов лет назад, и является беспрецедентным примером конвергентной эволюции.


Среди живородящих организмов существуют различия в способе питания плода, с поставкой питательных веществ через желток в яйцах или формированием желточного мешочка. На самом деле, желточный мешок является наиболее распространённым типом плацентации у позвоночных.

Между тем, кладка яиц имеет свои преимущества, что дало возможность выживания многих позвоночных.

Хотя живорождение на протяжении тысячелетий эволюционировало много раз, оно до сих пор допускает наличие геномных конфликтов после оплодотворения, что отсутствует у яйцекладущих видов.

Кроме того, эволюционная смена репродуктивного режима требует многочисленных морфологических, физиологических и поведенческих адаптаций. Они могут быть связаны с изменением географического распределения видов и условий окружающей среды.


Акулы считаются наиболее живучими существами, пережив несколько массовых вымираний на планете за последние 420 миллионов лет.

Около 70% видов акул рождают живое потомство и около 30% откладывают яйца. Акулы являются одними из первых живородящих позвоночных. Они также являются прародителями всех костистых рыб и тетрапод, таким образом, идеально подходя для проведения сравнительных исследований таксонов.


На ранних стадиях развития эмбриона у всех живородящих акул питание производится из плодного желточного мешка.

Живородящие акулы также показывают разнообразие эмбрионального питания - выделения матерью питательных веществ для созревания жизнеспособных особей, известного как матротрофическое питание (matrotrophy).


Виды матротрофии у акул:
- выработка энергетической слизи, производимой маткой (слизистая гистотрофия);
- поставка неоплодотворённых яиц - поедание эмбрионами акул неоплодотворённых и развивающихся яиц в яйцеводах матери (оофагия);
- прямой обмен между телом матери и тканями плода через плаценту (плацентарное живорождение).

Плацентарное соединение образуется, когда пустой желточный мешок прикрепляется к стенке матки. У живородящих видов акул, которые являются не плацентарными, пустой желточный мешок реабсорбируется в развивающегося эмбриона.


Результаты нашего исследования показывают, что потеря плаценты у тигровых акул могла стать причиной эволюционных изменений в развитии мозга и выработке спермы, что предоставило им конкурентные преимущества перед другими видами хищников.


Смотреть видео: живорождение акулы


Видео: эмбрионы в матке акулы


Видео: зародышевый каннибализм акулы (оофагия)


Поделитесь этой новостью с друзьями:


Комментарии

Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...
С этой публикацией также читают:
Учёные и ветеринары, работающие в Аквариуме WCS Нью-Йорка, обнаружили нечто примечательное в прибрежных водах Большого Южного залива в Лонг-Айленде
Молотоголовые акулы плавают с отклонением на бок в целях энергоэффективности
Американским учёным-океанологам из исследовательского центра Pacific Shark Research Center у побережья Центральной Америки удалось открыть новый вид а
Лагуна акул (ex Akulizm.ru) © 2010-2016
Все материалы этого сайта могут использоваться только с указанием активной гиперссылки на данный сайт.