随着鳍进化帮助鱼游泳,神经系统也在进化

2020-07-24 380鱼类

根据芝加哥大学的最新研究,随着鳍进化帮助鱼游泳,神经系统也在进化。鱼鳍中的感觉系统与鱼鳍的形状和结构是平行进化的,并且是专门调整以适应鱼的游动行为的。研究人员在许多鱼类物种中发现了这种相似性,这表明其他动物也可能发生这种情况。

这项研究发表在2017年4月10日的《美国国家科学院院刊》上,结合了来自数百个唇形科标本的鳍形测量结果,以及从八种不同的唇形科鱼类(通常称为濑鱼)记录的鳍的力学性能和神经反应。这些测量结果被绘制在340条濑鱼的进化树上,以确定鳍的机械性能和神经系统是如何随时间进化的。

研究背景

我们在研究胸鳍的形态时说,这是我们研究胸鳍的一个主要部分这使得感觉系统能够调节到与不同物种的运动行为和鳍力学相关的不同刺激。”

当动物使用附肢进行运动时,它们依靠这些肢体的感觉反馈来控制运动。鱼胸鳍上的神经可以检测鳍鳐的位置以及它们在水中移动时弯曲的程度,这有助于鱼感知鳍的速度和相对位置。

鱼鳍的形状也会影响鱼的移动方式。科学家们用一个叫做长宽比(AR)的数字来测量这种形状。高AR意味着鳍长而窄,或者更像翅膀;低AR意味着鳍宽或圆,更像桨。有着高AR的翼状鳍的濑鱼拍打它们以最大限度地提高效率和推进力,而那些拥有更宽、低AR、桨状鳍的濑鱼则使用划船运动来接近礁石底部。

随着鳍进化帮助鱼游泳,神经系统也在进化

Aiello和他的同事们在菲尔德博物馆收集了数百种唇形目鱼类的鳍长宽比测量值,并将这些数据与组织生物学和解剖学教授、该研究的合著者、马克·韦斯特内特(Mark Westneat)博士开发的340条唇形目鱼类的遗传系统发育学相结合。利用活鱼的DNA,Westneat构建了这些物种之间关系的家谱,追踪它们是如何随着时间进化的。研究人员随后在系统发育图上绘制了每个物种的鳍形图,使它们能够追踪从祖先状态到活物种的鳍进化过程。祖先状态重建显示出趋同进化模式,高AR鳍至少独立起源22次。

有了这段鳍进化史,研究人员还测试了四对近缘唇形目鱼类胸鳍的机械性能和感觉系统敏感性,其中一对具有低AR鳍,另一对具有独立进化的高AR鳍。研究小组通过测量胸鳍神经在弯曲鳍时的神经反应来测试感觉反应,然后重复这个过程,每次弯曲鳍的幅度不同。

为每种鳍的效用提供了更多线索

他们的发现为每种鳍的效用提供了更多线索。低AR的桨状鳍更具柔韧性,而高AR鳍则更为坚硬。但翼状、高AR鳍的感觉系统也更敏感,这意味着鳍对较小幅度的弯曲反应更灵敏。Aiello说他相信高AR鳍进化出了一个更敏感的神经系统,因为当鱼用这些僵硬、不太灵活的鳍游泳时,它需要对较小的动作做出更灵敏的反应。

这项工作是跨学科合作的产物,这是UChicago组织生物学和解剖学项目的标志。由此产生的PNAS研究可能是三篇独立的论文:田野博物馆标本的档案研究、遗传系统发育学和活物种的神经生物学研究。

“随着鳍进化帮助鱼游泳,神经系统也在进化,不同视角和专业知识的科学家之间的合作可以将研究带入全新的方向,”该研究的资深作者、威廉·雷尼·哈珀(William Rainey Harper)教授、该研究的资深作者梅琳娜·黑尔(Melina Hale)说这也很有趣,因为我们互相了解对方的领域。对于像我们这样的实验主义者来说,与同事和菲尔德博物馆的自然历史藏品合作尤其重要,因为他们带来了进化和生物多样性的关键见解。”

除了让生物学家更好地了解鱼类是如何优化它们的游动机制外,这项研究的结果也可能对开发水下自主航行器的工程师有所帮助。这些装置的推进系统需要既高效又灵敏,也许没有比那些经过数百万年进化而完善的设计更好的复制品了。

“工程师们遇到的很多问题都与动物长期以来进化出的解决方案类似,”Aiello说如果我们开始更多地关注生物灵感技术,并在我们的工程设备中融入一些我们在自然界中看到的东西,我认为这将有助于更快地推进和解决这些问题。”

引用

University of Chicago Medical Center. "As fins evolve to help fish swim, so does the nervous system: Study shows that shape and mechanics of fish fins evolve in parallel with the sensory system, tuned to swimming behavior." ScienceDaily. ScienceDaily, 10 April 2017. www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170410154802.htm.

上一篇下一篇

相关专题