E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Modrozelený svět hlubokomořských ryb

Obálku posledního vydání časopisu Science zdobí obrázek hlubokomořské ryby. Ilustrace se váže k článku, jehož hlavní (ko)autorkou je Zuzana Musilová z katedry zoologie naší fakulty. Studie se věnuje víceúrovňové analýze světločivných pigmentů ryb obývajících mořský mesopelagiál.

 

Hlubokomořské ryby jsou často přizpůsobené k efektivnímu lovu například díky přítomnosti velkých zubů. Zubatka Chauliodus danae s nejdelšími zuby mezi rybami a extrémně vychlípitelnou tlamou patří do řádu velkoústých (Stomiiformes). Foto: Zuzana Musilová

 

V hlubokém moři je díky nedostatku světla a absenci orientačních bodů velmi těžké shánět potravu, unikat před nepřáteli či hledat sexuálního partnera. Každá adaptace, která vylepší schopnost orientace ve 3D prostoru hlubokého moře, představuje obrovskou výhodu. U hlubokomořských ryb, které jsou v tomto prostředí dominantními predátory, nacházíme hned několik úrovní adaptací. První stupeň představuje morfologie – hlubokomořské ryby mívají oči nápadně zvětšené nebo zvláštně utvářené (např. tzv. tubulární či zrcadlové oči). Další úrovní adaptací na extrémní světelné podmínky je morfologie sítnice. Existují druhy, které mají na sítnici několik vrstev světločivných buněk, nebo např. sítnice, které jsou složené čistě jen z tyčinek bez jakýchkoliv čípků. “My jsme se v našem výzkumu zabývali problémem na úrovni analýzy samotných fotoreceptorových buněk, tedy tyčinek a čípků na oční sítnici, a jejich světločivných pigmentů,” popisuje podstatu výzkumu Zuzana Musilová z katedry zoologie PřF UK, která je první (ko)autorkou článku v posledním vydání časopisu Science.

Jak tedy světločivné buňky fungují? My lidé (i ostatní primáti) máme na sítnici tři typy čípků: modrý, zelený a červený, díky nimž vidíme přes den barevně (tzv. trichromatické vidění). S pomocí druhého typu světločivných buněk, tyčinek, vidíme v noci černobíle – tento typ buněk nedokáže přenášet informaci o frekvenci, ale pouze o intenzitě světla. To, co jednotlivé typy čípků od sebe odlišuje, je jaký světločivný pigment se v nich exprimuje. Jednotlivé pigmenty se pak liší v tom, jak moc jsou (v komplexu s navázanými karotenoidy) citlivé na specifické rozpětí frekvence světelného spektra. V principu existují u obratlovců čtyři skupiny opsinových genů, které pokrývají zmiňované barvy a ještě UV část spektra. Hlubokomořské prostředí má nicméně jistá specifika. Kromě to, že se snižuje světelná intenzita, tedy počet fotonů, které projdou vodním sloupcem, se také zužuje spektrum – do hlubin proniká v podstatě už jen střední, modro-zelená část spektra.

Světločivný pigment opsin je protein kódovaný příslušným genem. Je proto přirozené, že se pozornost vědeckého týmu nejprve obrátila k úrovni genomu a jeho bioinformatické analýze.  "V naší studii jsme se zaměřili na dvě věci: sledovali jsme genom ryb, nejen hlubokomořských. Využili jsme celogenomová data z celých 101 taxonů napříč skupinami kostnatých ryb (Teleostei). Dále jsme se zaměřili na genomy ryb hlubokomořských a pátrali jsme po známkách toho, že tyto ryby žijí v takto specifickém prostředí,” popisuje Musilová. Propátrávání genomu přineslo důležitou informaci: rybám žijícím ve velkých hloubkách často chybí geny zodpovědné za vidění v okrajových částech viditelného spektra, tedy chybí geny pro citlivost v UV a červené části. To je samo o sobě zajímavé, ale vlastně nikoliv překvapivé. Není-li gen využíván, ztrácí svou funkci a díky náhodným mutacím se postupně stává pseudogenem.

 

Tralová síť pro odlov hlubokomořských ryb na výzkumné lodi Walther Herwig III.  Foto: Zuzana Musilová

 

Vědecký tým nicméně zajímaly i tyčinkové geny. V nich se exprimuje pouze jeden typ světločivného pigmentu, rodopsin, který slouží k vidění za nízké intenzity světla. Doposud bylo známo, že u některých druhů ryb se vyskytují dvě varianty tohoto genu, což bylo dáváno do souvislosti s jiným životním stylem juvenilních stádií a dospělců. Anylýzy genomů hlubokomořských ryb však ukázaly, že gen pro tyčinkový rodopsin se u nich často vícenásobně zduplikoval, a to dokonce ve třech vývojových liniích nezávisle na sobě! U druhu beztrnovky stříbřité (Diretmus argenteus) vědci dokonce našli namísto jedné až 38 kopií tohoto genu, což je mezi obratlovci naprostý unikát.

Objev takové zásadní jinakosti samozřejmě volá po vysvětlení! Je na místě se ptát, zda takové množství genů pro jeden protein má ve vidění hlubokomořských ryb nějakou funkci. Nulová hypotéza vysvětlující jejich množství by byla v tom, že jsou tyto geny funkčně stejné, jejich počet však přispívá k množení jejich produktů, funkčních proteinů. Na první pohled však bylo zřejmé, že geny jsou funkční a navíc se od sebe opravdu odlišují. Rozdíly se navíc ukázaly být v konkrétních aminokyselinách, o nichž je již z dřívějška známo, že mění citlivost na světelné záření.

V tomto bodu byly u konce možnosti genomové analýzy a musela nastoupit další funkční analýza in vitro, aby bylo možné odpovědět na otázky, kolik variant rodopsinových genů se skutečně exprimuje a zda se tedy od sebe nakonec funkčně odlišují. Nejprve bylo třeba udělat analýzy transkriptomu ze sítnice ryb. Ukázalo se, že v oku beztrnovky se exprimuje až 14 variant rodopsinu. Dalším krokem bylo pátrání po vlastnostech těchto proteinů. K tomu sloužila jejich exprese prostřednictvím bakterií a jejich následné testování in vitro na citlivost vůči různým vlnový délkám. Ukázalo se, že proteiny jsou rozprostřeny v oblasti mezi vlnovými délkami 447–513 nm (tedy od modré do zelené) tak, že tuto oblast pokrývají prakticky rovnoměrně. K získání úplné jistoty ohledně citlivosti příslušných proteinů na příslušné vlnové délky bylo ještě třeba spojit se s kolegy, kteří se věnují tzv. atomistickému modelování. Tato metoda umožní na základě teoretického modelování struktury proteinů předpovědět mnoho o jejich fotosenzitivních vlastnostech. Výsledkem jejich analýzy bylo, že zvětšení citlivosti v modro-zelené části spektra souvisí se ztrátou konkrétního stavebního prvku, tzv. disulfidového můstku mezi určitými aminokyselinami ve struktuře proteinu.

 

Pásovka štíhlá (Idiacanthus fasciola) s bioluminiscentním orgánem na bradovém vousu. Foto: Zuzana Musilová

 

Otázkou zůstává, jak celou tuto složitou strukturu změn, která je patrná z genů i transkriptomu opsinových genů, hlubokomořské ryby využívají. “My si myslíme, že by mohlo jít o jistou formu barevného vidění, které ale funguje úplně jinak, než jak ho známe od jiných živočichů,” zamýšlí se Zuzana Musilová. U obratlovců se barevného vidění vždy účastní čípky. Zde však máme příklad ryby, která má pouze tyčinky, a o níž můžeme říci, že se u ní nějaký typ barevného vidění vyskytuje. To, co stále zůstává záhadou, je, jakým způsobem se realizuje vidění na vyšší fyziologické úrovni, tedy jak se konkrétní vněm realizuje napříč nervovou soustavou.

Další otázkou, která zatím také zůstává v oblasti spekulací, je to, jaký účel by tato vlastnost, nakolik by byla skutečně vlastností adaptivní, vlastně mohla mít. Proč by ryby měly chtít vidět barvy, když žijí v hlubokém moři, kam neproniká dostatek světla z hladiny? “Myslíme si, že účelem této adaptace je, aby ryby rozpoznávaly různé bioluminiscenční signály, které produkují další hlubokomořské organismy v jejich okolí,” vysvětluje Musilová. “Bioluminiscence je v tomto prostředí zcela zásadní. Slouží jak k přilákání či rozpoznání kořisti, tak vnitrodruhové komunikaci. Druhy či celé skupiny, které schopnost bioluminiscence mají, jsou v tomto prostředí ve výhodě a také mu skutečně dominují,” doplňuje zooložka.

Beztrnovka stříbřitá, kterou jsme zkoumali hlavně kvůli vysokému počtu kopií rodopsinových genů, sama bioluminiscenci neprodukuje a tudíž u ní vnitrodruhová komunikace nepadá v úvahu. Živí se však korýši, kteří produkují konkrétní signály a mohou být tedy díky této adaptaci snadno k rozpoznání,” myslí si Musilová. Záhadu však stále zůstává, proč mají tyto ryby opsinů tolik? Podle standardních modelování by měly stačit dva, snad i jeden typ opsinu. Na tuto otázku budou muset odpovědět další výzkumy. Funkci ve vnitrodruhové komunikaci by mohla mít tato adaptace např. u řádu hlubinovek (Myctophiformes), u nichž byly nalezeno 5 kopií rodopsinovo genu. Ryby této skupiny mají druhově specificky uspořádané bioluminiscenční orgány (chromatofory) a vizuální komunikace u nich tedy bezpochyby hraje významnou roli.

-------------------------------------------------------------

REFERENCE: 

 

Musilova, Z., Cortesi, F., Matschiner, M., Davies, W. I., Patel, J. S., Stieb, S. M., ... & Salzburger, W. Vision using multiple distinct rod opsins in deep-sea fishes. Science. Vol. 364, Issue 6440, pp. 588-592, DOI: 10.1126/science.aav4632

 

 

 

 

 

-----------------------------------------------------------------

 

Zuzana Musilová. Foto: Marko Freese, Thünen Institute, Německo
 

Práci na studiu vidění hlubokomořských ryb inicializovala Zuzana Musilová ještě za svého postdoktorského pobytu na univerzitě ve švýcarské Basileji. Spolu s ní se o prvoautorství studie dělí její bývalý kolega z téže instituce Fabio Cortesi, který v současnosti působí univerzitě v Brisbane v australském Queensandu. Jádro práce proběhlo již na Basilejské univerzitě, s konkrétními otázkami bylo nicméně třeba obracet se na kolegy z různých laboratoří po celém světě: univerzita v Perthu Západní Austrálii, v Oslu, Zurichu řadě dalších.

 

 

 

---------------------------------------------------------------

autor: Michal Andrle


Ohlasy v médiích


 

Publikováno: Čtvrtek 09.05.2019 16:35

Akce dokumentů

Kategorie: