Витрина эволюционно созданных органов чувств раскрывается с помощью изображений с высоким разрешением головы слепой саламандры, обитающей исключительно в пещерах, Proteus anguinus. Протей — эволюционный шедевр необычного набора приспособлений для выживания в темных пещерах. Даже его внешний вид уникален, до такой степени, что местные жители в 1600-х годах считали его маленьким дракончиком. Исследование здесь, проведенное международным сотрудничеством под руководством чешских ученых Йозефа Кайзера и Маркеты Тесаржовой, было направлено на получение подробной информации об этих необычных эволюционных изменениях. Ученые использовали рентгеновскую компьютерную микротомографию (микроКТ) для создания потрясающих трехмерных реконструкций мягких тканей головы протея, что позволило им напрямую увидеть обширные изменения, которые произошли в саламандре с течением времени.

Proteus anguinus обитает в темных карстовых пещерах Центральной и Юго-Восточной Европы. Он также известен как олм или «человеческая рыба». Работа в этом исследовании проливает свет на обширные детали уникальных эволюционных механизмов протея. Кроме того, поскольку эти изображения и 3D-модели являются цифровыми данными , ученые со всего мира также могут получить к ним доступ и использовать их в своих собственных исследованиях, что особенно ценно, учитывая, что протеи находятся под угрозой исчезновения и практически невозможно поделиться физическими образцами. Опубликованная статья включает раскрашенные 3D-реконструкции и удобную для изучения онлайн-модель (которую также можно просматривать с помощью гарнитуры виртуальной реальности). Кроме того, включен видеореферат, демонстрирующий живые и анимированные изображения, помогающие выделить основные выводы.

Протей — крупнейший пещерный четвероногий и единственная европейская амфибия, живущая исключительно под землей. Это плотоядное существо, питается мелкими ракообразными и проглатывает добычу целиком. Часто упоминается как одно из животных с самыми странными приспособлениями к выживанию, оно похоже на змею по внешнему виду, бесцветно и может жить до 100 лет. Из-за того, что он живет в подземной среде, одной из его адаптаций является устойчивость к голоданию, что позволяет ему выживать до 10 лет без еды. У протея также есть и жабры, и легкие, в отличие от большинства амфибий, которые во взрослом возрасте теряют жабры и выходят из воды.

Ранние натуралисты были очарованы этим созданием тьмы, в том числе Чарльз Дарвин, который описал этот вид как «обломки древней жизни». Работа в этом исследовании с использованием передовых современных технологий визуализации, наконец, позволяет ответить на многовековые вопросы об этом странном существе.

Для своего исследования ученые использовали технологию рентгеновского микроКТ-сканирования и 3D-моделирование нескольких образцов, включая получение изображений близкородственной саламандры, обитающей на поверхности, аксолотля. Это предоставило исследователям ряд данных для оценки изменений формы, формы и строения органов протея.

Исследователи отмечают широту анализа, предоставленного им этими данными, говоря:

«Мы получили доступ к нескольким коллекциям, чтобы охватить стадии развития от личинок до взрослых особей. Таким образом, данные можно использовать для изучения различий в развитии и эволюции между стадиями. и живущие на поверхности педоморфные саламандры».

Предки протея жили над землей и имели функционирующие глаза, но как только они начали жить в темных пещерах, давление отбора для сохранения зрения исчезло. В результате зрительные органы протея маленькие и не полностью сформированные, что делает их слепыми. Однако в качестве наследства от их предков зачатки глаз присутствуют на ранних стадиях жизни, а потеря глаз происходит в процессе развития от ювенильного до взрослого возраста. Поскольку данные, сгенерированные исследователями, включают изображения голов как молодых, так и взрослых протеев, исследователи могут получить гораздо более полную информацию об изменениях развития и потери зрения, включая изменения положения, формы и размера по мере взросления животного.

В процессе эволюции может произойти потеря ненужных элементов, но если для выживания требуются новые механизмы, появляются физические или поведенческие изменения . У протея, лишенного зрения, должны были измениться другие органы чувств, чтобы они могли получать пищу и другие ресурсы. Чтобы исследовать такие изменения, чешская исследовательская группа провела микроКТ на разных стадиях развития аксолотля, чтобы изучить различные части черепа и органы чувств для сравнения. Новые данные микроКТ и доступное 3D-моделирование обеспечивают такое высокое разрешение, что теперь исследователи могут получить чрезвычайно точные детали этих изменений, а не более фундаментальные изменения, такие как орган, воспринимающий запах протея, у протея намного больше, чем у аксолотля.

Хотя исследования с использованием этих новых данных были сосредоточены на изучении физических изменений, они также могут помочь в другой области исследований эволюции: изучении поведенческих изменений, важных для выживания.

Автор Лючия Манчини из синхротронной установки Elettra Sincrotron в Триесте (Италия) подчеркивает важность методов визуализации, использующих электромагнитное излучение (синхротрон):

«Применение передовых технологий трехмерной визуализации может дать представление о жизненной стратегии протея. Фактически, благодаря комбинированному использованию синхротронного и лабораторного анализа будущие исследования могут помочь смоделировать механизмы поведенческой адаптации, чтобы лучше понять использование среды обитания».

Ее коллега Эдгардо Маури из Спелеовивариума Эрвин Пихл добавляет: «Эти данные позволят нам изучить способности восприятия с помощью трехмерных моделей и исследовать поведенческие реакции в отношении химических сигналов, звуковых частот или излучения сигналов».

Учитывая редкость протея, исследователям крайне сложно получить физические образцы. Теперь, когда эти ресурсы изображений доступны в совместно используемом цифровом формате, ученые всего мира могут воспользоваться этим ресурсом, чтобы по-новому взглянуть на эволюционные механизмы. Такие исследования, а также предоставление нового базового понимания того, как виды меняются с течением времени, с изменением климата и его влиянием на выживание видов, могут улучшить понимание эволюционных потребностей для выживания.