I en undersøgelse offentliggjort i Journal of Morphology har et team af forskere fra New Jersey Institute of Technology (NJIT), Florida Museum of Natural History, Louisiana State University og Thailands Maejo University med succes sammensat de forfædres relationer, som udgør slægtstræet af bakkeløbssøer (Balitoridae), der for første gang beskriver en række usædvanlige bækkentilpasninger på tværs af familien, der har givet nogle af dens medlemmer en evne til at kravle eller endda gå, som salamandere gør, for at navigere på jordoverflader.
Teamets DNA-baserede sammenlignende analyse af fiskefamilien, der i øjeblikket er kendt for at omfatte mere end 100 arter hjemmehørende i Syd- og Sydøstasien, er den første af sin slags, der inkluderer Cryptotora thamicola - den eneste kendte levende fiskeart at gå på land i et skridtmønster, der ligner tetrapoder, eller firbenede hvirveldyr såsom krybdyr og padder.
Resultaterne har afsløret, at tre dominerende variationer af bækkenets anatomi i familien, især inklusiv nøglevariationer af et robust bækkenbælte og langstrakt sakralrib blandt mange loaches, som forskerne forventer er centrale i forklaringen af de forskellige grader af land- gåadfærd udvist af fiskene. Holdet siger, at familiens modificerede bækkenegenskaber, der muliggør terrestrisk bevægelse, som blev fundet mest udt alt i Cryptotora thamicola, kan være blevet tilpasset til at øge deres chancer for at overleve i floder og andre hurtige vandmiljøer, som mange Balitoridae lever i i dag.
"Den modificerede morfologi af disse Balitoridae, især det forstørrede sakrale ribben, der forbinder bækkenpladen med rygsøjlen, er en stor del af, hvorfor det er så spændende at studere denne familie," sagde Callie Crawford, undersøgelsens tilsvarende forfatter og Ph. D. kandidat ved NJITs Institut for Biologiske Videnskaber. "Disse loaches har konvergeret på et strukturelt krav for at understøtte landvandsvandring, som ikke ses hos andre fisk. Det, vi har opdaget, er tre anatomiske grupperinger, der har store implikationer for biomekanikken af landlig bevægelse af disse loaches, og forholdet mellem disse fisk tyder på, at evnen til at tilpasse sig hurtigt strømmende floder kan være det, der blev videregivet genetisk, mere end selve den specifikke morfologi."
"Nu hvor vi har afsløret et spektrum af bækkenmorfologier blandt disse fisk, kan vi sammenligne omfanget af skeletstøtte med gående præstationer hos en art," sagde Brooke Flammang, undersøgelsens ledende hovedforsker og assisterende professor i biologi på NJIT."Dette vil give os mulighed for at måle det mekaniske bidrag fra robuste hofter til terrestrisk bevægelse."
I modsætning til de fleste levende fisk, der har bækkenfinner placeret mere anteriort og fastgjort til brystbæltet, kan balitoriderne typisk prale af en skeletforbindelse mellem bækkenpladen (basipterygium) og hvirvelsøjlen via et modificeret sakralribben og dets distale ledbånd. Disse modifikationer forstås at hjælpe med at generere kraft mod jorden, som er nyttig til at navigere i land. Det mest ekstreme eksempel opstod i 2016 med opdagelsen af Cryptotora thamicola i de hurtigtflydende akvatiske forhold i Tham Maelana og Tham Susa karsthulesystemerne i det nordlige Thailand. NJIT-forskere identificerede derefter først, at den sjældne art brugte en robust bækkenbælte fastgjort til sin rygsøjle til at gå og bestige vandfald med en salamanderlignende gang.
"Denne egenskab er sandsynligvis nøglen til at hjælpe disse fisk med at undgå at blive skyllet væk i det hurtigtflydende miljø, de lever i," sagde Zach Randall, medforfatter af papiret og biologisk videnskabsmand ved Florida Museum of Natural History."Det, der virkelig er fedt ved dette papir, er, at det med høj detaljelighed viser, at robuste bækkenbunde er mere almindelige, end vi troede i hillstream loach-familien."
"Sakrale ribben tillader kræfter fra finnerne, der presser mod jorden, at blive overført til kroppen, så hver gang finnen skubber ned under et trin, skubbes kroppen op og frem," forklarede Flammang. "Det øgede overfladeareal af de mere modificerede sakrale ribben giver også mere plads til muskelvedhæftning, så fisk som Cryptotora thamicola kan rotere deres hofter under gang, hvilket giver en salamanderlignende gang."
River Loach-familiefraktioner
For bedre at forstå udviklingen af flod-loach-familien gennemførte holdet en bred stikprøve af ?CT-scanningsdata taget fra 29 repræsentative prøver, analyserede og sammenlignede skeletstrukturer, muskelmorfologi samt sakrale ribbens form på tværs af 14 af de 16 balitorid-slægter. Holdet prøvede også genomiske datasæt af 72 loaches på tværs af syv familier for at rekonstruere de evolutionære forhold i Ballitoridae-livets træ."Vi var i stand til at bruge en stor undersøgelse af museumsprøver og CT-scanning til at inkorporere data selv fra prøver, der ikke havde væv eller genetiske data intakte," bemærkede Randall.
Resultaterne viste, at loacherne falder i tre forskellige morfotyper, som forventes at korrelere med, hvor godt de er i stand til at manøvrere på land: arter med en lang, smal ribben, der møder bækkenpladen; arter med et tykkere, let buet ribben, der møder bækkenpladen; og arter med en robust nakkerib, der griber ind i bækkenpladen. Af de prøvede arter faldt elleve i den tredje kategori med avancerede evner til at gå på land, såsom Cryptotora thamicola, der viser den mest robuste sakrale ribbensforbindelse mellem basipterygium og hvirvelsøjlen.
"Vores analyse viste, at morfotyperne ikke er grupperet efter nært beslægtede taxa, men i stedet ser ud til at være spredt ud over fylogenien. Det indikerer for os, at omfanget af ændringen af disse funktioner er mindre afspejler fælles herkomst og mere sandsynligt et produkt af tilpasning til flow-regimerne i deres miljøer," forklarede Crawford."For bedre at forstå, hvordan og hvorfor disse forskellige morfotyper udviklede sig, har vi brug for mere viden om hver arts habitat, herunder vandstrømningshastigheder, substrattyper og hvordan floderne og vandløbene skifter mellem regntiden og den tørre sæson."
Crawford og hans kolleger sigter nu mod yderligere at undersøge stabilitetsfysikken og muskelkræfterne på spil, der gør det muligt for visse arter at skubbe deres kroppe væk fra jorden, mens de går. Holdet, inklusive en nyuddannet Rutgers University, Amani Webber-Schultz, afsluttede for nylig feltarbejde i Thailand tidligere på året for at indsamle flere balitorid-prøver, som de studerer ved hjælp af højhastighedsvideoer af fiskene, der går.
"Dette vil give os mulighed for at studere detaljer om deres gangkinematik og få endnu mere indsigt i, hvordan gangpræstationer kan ændre sig mellem arter med forskellige bækkenmorfologier," sagde Crawford.
