Nowe badania prowadzone przez naukowców z American Museum of Natural History rzucają światło na starożytne pochodzenie biofluorescencji u ryb i zakres genialnych kolorów zaangażowanych w to zjawisko biologiczne. Odkrycia, szczegółowo opisane w dwóch komplementarnych badaniach opublikowanych w Nature Communications i PLOS ONE, sugerują, że biofluorescencja pochodzi od co najmniej 112 milionów lat i od tego czasu ewoluowała niezależnie ponad 100 razy, przy czym większość tej działalności odbywa się wśród ryb żyjących na rafach koralowych.
Nowe prace ujawnia również, że u ryb morskich biofluorescencja – która występuje, gdy organizm pochłania światło, przekształca go i emituje jako inny kolor – obejmuje większą różnorodność kolorów niż wcześniej zgłaszane, obejmujące wiele długości fali zielonych, żółtych, pomarańczowych i czerwonych.
„Naukowcy od jakiegoś czasu wiedzą, że biofluorescencja jest dość rozpowszechniona u zwierząt morskich, od żółwi morskich po koralowce, a zwłaszcza wśród ryb” – powiedziała Emily Carr. Student w Muzeum Richard Gilder Graduate School i główny autor w dwóch nowych studiach. „Ale aby naprawdę dotrzeć do źródła tego, dlaczego i jak te gatunki wykorzystują tę wyjątkową adaptację – czy to do kamuflażu, drapieżnictwa lub reprodukcji – musimy zrozumieć podstawową historię ewolucyjną, a także zakres biofluorescencji, jaki obecnie istnieje”.
W badaniu Nature Communications Carr prowadził kompleksowe badanie wszystkich znanych teleostów biofluorescencyjnych – rodzaju ryb kostnych, które stanowią dziś największą grupę kręgowców żywych. Spowodowało to listę 459 gatunków biofluorescencyjnych, w tym 48 gatunków, które wcześniej były nieznane jako biofluorescencyjne. Naukowcy stwierdzili, że biofluorescencja ewoluowała ponad 100 razy w teleostach morskich i szacuje się, że do około 112 milionów lat, przy czym pierwsza instancja wystąpiła w węgorzach.
Zespół stwierdził również, że gatunki ryb żyjące w rafach koralowych lub wokół nich ewoluują biofluorescencję około 10 razy większą niż gatunki niereefowe, ze wzrostem liczby gatunków fluorescencyjnych po wymieraniu kredowo-paleogenu (K-PG) około 66 milionów lat temu, kiedy wszystkie nie nadrabiane dinosaury.
„Trend ten pokrywa się ze wzrostem współczesnych raf zdominowanych przez koralę i szybką kolonizacją raf przez ryby, które miały miejsce po znacznej utraty różnorodności koralowców w wyginięciu K-PG”-powiedział Carr. „Te korelacje sugerują, że pojawienie się współczesnych raf koralowych mogło ułatwić dywersyfikację fluorescencji w rybach teleostu związanych z rafą”.
Spośród 459 znanych biofluorescencyjnych teleostów zgłoszonych w tym badaniu większość jest związana z rafami koralowymi.
W badaniu PLOS ONE Carr i współpracownicy zastosowali specjalistyczną konfigurację fotografii z ultrafioletowymi i niebieskimi światłami wzbudzenia oraz filtrami emisji, aby spojrzeć na długości fali światła emitowanych przez ryby w kolekcji ichtiologii muzeum. Zebrane w ciągu ostatniej półtorej dekady podczas wypraw muzealnych na Wyspy Salomon, Grenlandii i Tajlandii, okazy w badaniu były wcześniej obserwowane fluoresowanie, ale pełny zakres ich emisji biofluorescencyjnych był nieznany.
Nowa praca ujawnia znacznie większą różnorodność kolorów emitowanych przez teleosty – niektóre rodziny wykazują co najmniej sześć odrębnych pików emisji fluorescencyjnej, które odpowiadają długościom fali w wielu kolorach – niż wcześniej zgłaszano.
„Niezwykła zmienność, którą zaobserwowaliśmy w szerokiej gamie tych fluorescencyjnych ryb, może oznaczać, że zwierzęta te stosują niezwykle zróżnicowane i skomplikowane systemy sygnalizacyjne oparte na specyficznych dla gatunku fluorescencyjnych wzorców emisji”-powiedział John Sparks, kurator muzeum, autor nowych badań i doradcy Carr. „Jak pokazują te badania, biofluorescencja jest zarówno wszechobecna, jak i niezwykle zmienna fenotypowo wśród ryb morskich. Naprawdę chcielibyśmy lepiej zrozumieć, w jaki sposób funkcjonuje fluorescencja w tych bardzo zmiennych liniach morskich, a także jej rola w dywersyfikacji”.
Naukowcy zauważają również, że liczne długości fali emisji fluorescencyjnych znalezione w tym badaniu mogą mieć wpływ na identyfikację nowych cząsteczek fluorescencyjnych, które są rutynowo stosowane w zastosowaniach biomedycznych, w tym diagnozę chorób i terapii zachorowania fluorescencyjnego.
Inni autorzy zaangażowani w tę pracę to Rene Martin z Muzeum i University of Nebraska-Lincoln; Mason Thurman z Clemson University; Karly Cohen z California State University; Jonathan Huie, z George Washington University; David Gruber, z Baruch College i Graduate Center, City University of New York; i Tate Sparks, Rutgers University.
Badania na Wyspach Salomona były wspierane przez National Science Foundation pod numerem grantu Deb-1257555.
Muzeum znacznie uznaje Fundację Dalio za hojne wsparcie inauguracyjnej Explore21 Expedition.
Inicjatywa Muzeum Exlopre21 jest hojnie wspierana przez wkład przywódczy Katheryn P. i Thomas L. Kempner, Jr.
Ekspedycja Constantine S. Niarchos na Grenlandię 2019 była hojnie wspierana przez Fundację Stavros Niarchos.
Badania w Tajlandii zostały sfinansowane przez Muzeum i National Science Foundation Graduate Research Fellowship w ramach numeru dotacji Deb-1938103.
Dodatkowe fundusze na tę pracę zostały zapewnione przez National Science Foundation na podstawie numeru dotacji DGE-1746914.