Vaalea, kutistunut ja sokea Somalian cavefish elää hiljaista elämää maailman valoisimmissa vesissä. Näillä hiljaisilla vaaleillaan ja ilman silmiä, joista puhua olisi, näillä tahnalaisilla kaloilla ei näytä olevan paljon yhteistä nisäkkäiden kanssa, mutta nöyrällä cavefishillä on paljon enemmän kuin silmä.
Tutkijat kertoivat eilen Current Biology -lehdessä, että cavefish voisi valaista kaivattua valoa salaperäiselle luvulle nisäkkäiden evoluutiosta: aurinkovoiman aiheuttaman DNA-korjauksen menetys. Suurimmalla osalla organismeista on mekanismeja korjata omat auringonvalon aktivoimat DNA-molekyylit, mutta nisäkkäät menettivät ominaisuuden jossain matkan varrella - samoin kuin Somalian cavefish.
Elämän käyttöohjeena DNA on arvokas hyödyke. Tämän elintärkeän koodin pysyvä vaurio edistää sekä ikääntymistä että lisääntynyttä syöpäaltistumista. Valitettavasti DNA: n kopiointi- ja lukemisprosessissa voi olla virheitä, ja ympärillämme oleva ympäristö on täynnä vaaroja, haitallisista kemikaaleista ultraviolettivalonsäteisiin, jotka pystyvät muuttamaan geneettisiä sekvenssejä.
Mutta vaurioituneen DNA: n korjaamiseen kykenevien solukoneiden sarjan ansiosta suurin osa näistä geneettisistä virheistä korjataan ilman seurauksia. Näiden tärkeiden korjausominaisuuksien joukossa on fotoreaktivointijärjestelmä, joka käyttää aurinkoenergialla toimivia entsyymejä, nimeltään fotolyase, UV-säteilylle altistumisen aiheuttamien virheiden korjaamiseen DNA: ssa. Tämä taitava puolustusmekanismi tarkoittaa, että sama DNA: ta vahingoittava vaara - auringonvalo - laukaisee myös geneettisen koodin korjausjärjestelmän.
Nisäkkäät ja cavefish ovat melko erilaisia, mutta molemmat ovat sopeutuneet elämään pimeässä. Monilla öisin nisäkkäillä, kuten tällä kissalla, on silmäkerros kudosta, joka parantaa heidän yönäköä ja saa silmät näyttämään "kiiltäviltä". (Thomas Euler / flickr) Vaikka fotoreaktivointi on yleistä koko elämäpuussa, sitä ei ole täysin nisäkkäissä. Ja pitkään ajattelimme olevani yksin. Mutta tutkijat alkoivat löytää kourallisen sieni- ja nematodilajeja (ja jotkut valitsevat luolaan sitoutuneiden äyriäisten populaatiot), jotka olivat myös menettäneet aurinkoenergialla toimivan DNA: n korjauskyvyn. Uusin lisäys pimeässä asuvaan ryhmään, Somalian cavefish, saattoi olla ensimmäinen selkärankaisia, jotka eivät ole nisäkkäitä, joille on tehty samanlainen vaihe evoluutiohistoriassa.
”[Valoaktivointi] on järjestelmä, joka on niin säilynyt bakteereista aina kasveihin ja moniin eläimiin saakka”, sanoo Saksan Karlsruhen teknillisen instituutin biologi Nicholas Foulkes. "Kun huomaat toiminnon menetyksen, se on syvää."
Joten miten cavefish voisi muistuttaa nisäkästä? Vastaus, osoittautuu, pitää meidät kirjaimellisesti pimeässä. Nisäkäs-esi-isiemme nauttivat erittäin yöllisestä elämäntyyliä, kertoo evoluutiobiologi Roi Maor University Lontoon yliopistosta. Satoja miljoonia vuosia sitten lämminveriset eläinsuojamme ovat saaneet piiloutua päivällä välttääkseen aurinkoa rakastavien dinosaurusten syömistä.
Tämä yöllinen luonne on voinut aktivoida evoluutioissamme “käytä tai kadota” -periaatteen. Aurinkoisimmat piirteet (kuten aurinkoenergiavalojen aktivointi) olisi voitu hylätä noin 100 miljoonan vuoden käytöstä johtuen, Maor sanoo. Nämä geneettiset tappiot jatkoivat sitten nykyaikoja, jopa sen jälkeen, kun nisäkkäät alkoivat lähteä takaisin päivänvaloon.
Foulkesin tutkimusryhmä, mukaan lukien uuden tutkimuksen Haiyu Zhao, johtava kirjailija, päätti tutkia muiden yöeläinten DNA: n korjaamista saadakseen lisätietoja fotoaktivoitumismekanismien menettämisestä. Somalian cavefish ( Phreatichthys andruzzii ), jolla oli vastenmielisyys auringonvalolle, oli täydellinen tutkittava oletus .
Ensinnäkin tutkijat kuitenkin tarvitsivat vertailupisteen. Tätä varten he valitsivat folioksi toisen makean veden kalan: seeprakalan, joka on hyvin tutkittu niitti monissa biologisissa laboratorioissa. Kuten useimmat muutkin eläimet, seeprakalagenomit koodaavat auringonvalon avulla tapahtuvaa fotoaktivointijärjestelmää, joka antaa heille selviytyä altistumisesta suurille UV-säteilyannoksille hyvin valaistuissa ympäristöissä. Mutta täydellisessä pimeydessä loukkuun jääneet UV-zapped-seeprakalat ovat herkempiä DNA-vaurioiden vaikutuksille.
Toisaalta, kun tutkijat suorittivat samat kokeet Somalian cavefishille, kalat olivat yliherkkiä UV-säteille. Luonnossa laji elää täysin erillään auringonvalosta, ja altistamalla kalat olosuhteille, jotka matkivat auringonvaloa, eivät auttaneet niitä selviämään UV-säteilystä.
Nämä sokeat somalialaiset luolat ovat oikeastaan melko helppoa silmissä ... vaikka heillä ei olisi itseään. (Luca Scapoli / Ferraran yliopisto) Tutkiessaan kalojen genomeja tutkijat havaitsivat, että seeprakalat valmistavat kolme korjaavaa fotolyyasia, jotka aktivoituvat auringonvalossa, kun taas somalialaiset cavefish koodaavat vain rikkoutunutta järjestelmää. Tarkemman tutkimuksen jälkeen tutkijat pystyivät määrittämään eroja siinä, miten seeprakalat ja cavefish kontrolloivat fotolyyasiekspressiota.
Valon läsnä ollessa seeprakala-solujen molekyylinen ”avain” johdetaan geneettiseen ”lukkoon”, joka vapautetaan DNA: n korjausmekanismien aktivoimiseksi. Cavefish, omituisen kyllä, näytti olevan ehjä lukot, valmiina vapauttamaan fotolyase ilmentymä - mutta avaimet näyttävät kadonneen ajan. Foulkes-ryhmä etsii tällä hetkellä vahingoittuneita tai puuttuvia avaimia cavefish-perimässä.
"Se on kuin evoluutio on kiinni teossa", Foulkes sanoo. "Voit nähdä prosessin, jolla korjausjärjestelmä menetetään."
Yli 200 cavefish-lajia asuttavat maapallon, mutta tämä somalialainen yksilö on ensimmäinen, joka on menettänyt valoaktivointijärjestelmän. Jopa cavefishin joukossa P. andruzzii on kuitenkin ääriliike, joka on viettänyt viimeiset 3 miljoonaa vuotta poissa auringosta. Vedenalaisten luolien iankaikkisessa pimeydessä on tämän uimurin etujen mukaista säästää energiaa pitkälle tielle - Foulkesin mukaan nämä kalat voivat elää viisikymmentä vuotta ylöspäin - mikä tarkoittaa eroon tarpeettomasta geneettisestä matkalaukusta.
Vaikka nisäkkäät eivät jaa eläinlajien cavefish-elämää, nämä geneettiset menetykset voivat paljastaa hämärät evoluutiopolut, joita eri lajeilla on. Sen sijaan, että kehittää hyödyllistä ominaisuutta ympäristöpaineiden alla, olennot näyttävät hylänneen järjestelmän, josta ei enää ollut hyötyä, kertoo italialaisen Ferraran yliopiston cavefish-asiantuntija Silvia Fuselli.
"Ehkä nämä kalat tuottavat jotain, mikä tapahtui esi-isiemme sisällä miljoonia vuosia sitten", Foulkes sanoo.
Kun otetaan huomioon, että jotkut auringonpaistettavat lajit poistavat todennäköisesti edelleen onnistuneesti ihmisen löytämisen maapallon kavernoottisissa luolissa ja syvänmeren kaivoksissa, emme todennäköisesti ole löytäneet viimeistä niistä, jotka ovat fotoreaktivoituneet. "Se näkyy näissä kaloissa, sienissä, [äyriäisissä] ... siitä tulee jotain, jonka ihmiset löytävät johdonmukaisesti", sanoo amerikkalaisen yliopiston biologi David Carlini, joka tutkii luola-asuttavia makean veden äyriäisiä.
Ja sikäli kuin tiedämme, P. andruzzii on edelleen melko ainutlaatuinen useimpien valoa innostavien veljiensä keskuudessa. Siihen saakka, kunnes voidaan tutkia enemmän pimeää suosivia lajeja, somalialainen luolakala voi olla opasvalo ratkaista mysteeri siitä, kuinka me nisäkkäät menetimme kykymme parantua auringossa.
