Необходимость актинотрихии не является условием развития колючих лучей — механизмы способствуют морфологической диверсификации плавников рыб Acanthomorpha

Почему позвоночники плавников важны для разнообразия рыб

От летучих рыб, парящих над волнами, до удильщиков с висящими светящимися приманками — многие из самых необычных приспособлений у рыб основаны на одной ключевой конструкции: жестких колючих лучах плавников. В этом исследовании поставлен на первый взгляд простой вопрос с большими эволюционными последствиями: чем отличается способ роста этих колючек по сравнению с обычными гибкими лучами? Раскрывая этот скрытый план постройки, авторы показывают, как небольшие изменения в поведении клеток и опорных материалах могут открыть путь к огромному разнообразию форм.

Два типа опорных стержней плавника с очень разными судьбами

Костные рыбы обычно имеют два типа опор плавников: мягкие лучи, которые гнутся и ветвятся как маленькие пальцы, и колючие лучи — жесткие, заостренные стержни. Мягкие лучи редко меняют свою базовую стержневую конструкцию, даже когда значимо удлиняются. Напротив, колючие лучи в большой группе рыб Acanthomorpha многократно преобразовывались в новые «приборы», включая присоску ремора и «удочку» удильщика. Исследователи предположили, что развитие колючих лучей подчиняется собственным правилам, и что эти правила могут объяснить, почему колючки столь эволюционно гибки.

Новая лабораторная модель для наблюдения за ростом колючек

Традиционные модельные виды, такие как данио-рерио и медака, плохо подходят для изучения настоящих колючих лучей: у данио их нет, а у медаки колючка представлена лишь зачаточно. Команда вместо этого обратилась к карликовому неоновому радужному окуню, Melanotaenia praecox — небольшой пресноводной рыбке, у которой четко развиты наборы и колючих, и мягких лучей, и которую можно генетически модифицировать. Окрашивая растущие кости в двух временных точках, они показали, что колючие лучи радужной рыбки удлиняются за счет добавления новой кости на концах, похожим образом на мягкие лучи. Однако колючки также утолщаются, когда парные левая и правая половины сливаются в один жесткий столб — отличительная черта этих структур.

Отказ от коллагеновых каркасов в пользу клеточных колпачков

Известно, что мягкие лучи у других рыб опираются на игловидные коллагеновые волокна — актинотрихии, которые собираются в пучки на кончиках лучей и направляют клетки, формирующие кость. Удивительно, но авторы обнаружили, что колючие лучи радужной рыбки не используют этот каркас. Флуоресцентные красители коллагена и экспрессия ключевых генов актинотрихии сильно проявлялись на концах мягких лучей, тогда как вокруг колючек они были слабы или отсутствовали, а у мутантов без актинотрихии мягкие лучи были изогнуты и деформированы, тогда как колючие лучи выглядели совершенно нормально. Электронная микроскопия и 3D‑визуализация выявили, чем же пользуются колючки вместо этого: плотным колпачком мезенхимальных клеток на конце кости, окруженным толстой слоеподобной базальной мембраной внеклеточного матрикса. Этот колпачок занимает место, где у мягких лучей располагались бы актинотрихии, и, по-видимому, обеспечивает как удлинение, так и утолщение колючки независимо от коллагеновых пучков.

Сигналы, которые формируют шипы и другие формы колючек

Внутри клеточного колпачка на концах колючек радужной рыбки многие клетки несли маркеры незрелых клеток, формирующих кость (остеобластов), и демонстрировали активность BMP‑сигналинга — пути, известного как стимулирующего дифференцировку костной ткани. Когда команда блокировала BMP‑рецепторы с помощью препарата, колючие лучи не превращались в мягкие, но их концы становились более тупыми и аномально толстыми, а клетки оказывались захваченными внутри кости. Это указывает на то, что BMP‑сигналинг тонко регулирует, сколько кости добавляется и как аккуратно она откладывается, а не определяет, будет ли луч колючим или мягким. Чтобы проверить, можно ли с помощью той же механики получить экзотические формы колючек, авторы изучили личинок ёжика‑рыбы (filefish), у которых на дорсальном шипе есть ряд колючих боковых выростов. Там также скопления незрелых остеобластов с активным BMP‑сигналингом появлялись не только у основного кончика, но и у каждого бокового выступа, что свидетельствует о повторном использовании и перестановке базовой «программы колпачка» для постройки шипов.

Как гибкие правила постройки питают эволюционные новшества

В целом работа изображает колючие лучи как структуры, создаваемые подвижными клетками, формирующими кость, а не привязанными к фиксированным коллагеновым направляющим. Поскольку их рост не зафиксирован на прямых пучках актинотрихии, направление и место расширения колючки могут изменяться всякий раз, когда кластеры остеобластов и центры сигнальной активности смещаются вдоль кости. Авторы утверждают, что эта разработческая свобода облегчила эволюции преобразование простых плавниковых колючек в разнообразные, иногда странные «устройства», встречающиеся у акантоморфных рыб. В более широком смысле исследование подчёркивает, как изменения в том, где клетки собираются и какие внеклеточные материалы они используют — без изменения основных генетических наборов инструментов — могут приводить к крупным инновациям в форме тела у животных.

Цитирование: Miyamoto, K., Kuroda, J., Kamimura, S. et al. Actinotrichia-independent developmental mechanisms of spiny rays facilitate the morphological diversification of Acanthomorpha fish fins. Nat Commun 17, 2775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69180-y

Ключевые слова: эволюция плавников рыб, колючие лучи, развитие костей, сигналинг остеобластов, морфологическая диверсификация