Alterações nos glóbulos vermelhos dos peixes das cavernas fornecem evidências de adaptação ao oxigênio subterrâneo reduzido

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 3735 (2022) Citar este artigo

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Os animais que habitam ambientes extremos permitem a poderosa oportunidade de examinar a evolução adaptativa em resposta a diversas pressões. Uma dessas pressões é o oxigênio reduzido, comumente presente em ambientes de alta altitude e subterrâneos. Os animais que habitam as cavernas também devem lidar com a escuridão e a fome, ambos os quais foram rigorosamente estudados como forças-chave que impulsionam a evolução das características associadas às cavernas. Curiosamente, a hipóxia como uma pressão ambiental recebeu menos atenção. Aqui, examinamos fenótipos supostamente adaptativos evoluindo em um peixe teleósteo de água doce, Astyanax mexicanus, que inclui formas de superfície e de caverna. Este sistema modelo também oferece a oportunidade de identificar respostas convergentes à hipóxia, devido à presença de numerosas populações cavernícolas naturais e colonizadas independentemente, ao lado de co-específicos de superfície estreitamente relacionados. O foco deste estudo é a hemoglobina, uma molécula essencial para o transporte e entrega de oxigênio. Descobrimos que várias populações de cavernas abrigam uma maior concentração de hemoglobina no sangue, o que coincide com um aumento no tamanho dos eritrócitos da morfologia da caverna em comparação com os peixes da superfície. Curiosamente, tanto as formas de caverna quanto as de superfície têm números comparáveis ​​de eritrócitos por unidade de sangue, sugerindo que a hemoglobina elevada não se deve à superprodução de glóbulos vermelhos. Alternativamente, devido a uma área celular aumentada de eritrócitos em cavernícolas, raciocinamos que eles contêm mais hemoglobina por eritrócitos. Esses achados apóiam a noção de que os peixes das cavernas se adaptaram à hipóxia em cavernas por meio da modulação da produção de hemoglobina e do tamanho dos eritrócitos. Este trabalho revela uma característica adaptativa adicional do cavernícola Astyanax e demonstra que mudanças coordenadas entre a arquitetura celular e as mudanças moleculares são necessárias para organismos que evoluem sob intensa pressão ambiental.

Nossa compreensão das complexas interações entre condições ambientais extremas e a resposta do organismo a essas pressões permanece incompleta. Um poderoso modelo natural para estudar a adaptação em ambientes extremos é o peixe cego mexicano Astyanax mexicanus (Fig. 1a). Esta espécie permite comparações diretas de dois morfotipos existentes, um morfo de 'superfície' que habita o rio e morfos de 'caverna' subterrâneos obrigatórios. Trinta populações de cavernas existentes1 estão distribuídas em redes de cavernas subterrâneas dentro do cárstico calcário exposto da região de Sierra de El Abra, no nordeste do México (Fig. 1a). Mudanças fenotípicas acompanharam essa transição da superfície para a caverna, durante um período estimado de ~ 20 a 500 mil anos2,3, incluindo perda de olhos, pigmentação e aumento dos sentidos não visuais. Nas 8 décadas desde sua descoberta4, um progresso considerável foi feito para entender os mecanismos subjacentes às características regressivas, no entanto, as pressões ambientais do sistema cárstico El Abra examinaram principalmente os efeitos da luz e nutrição limitadas5.

Populações múltiplas de peixes cavernícolas Astyanax mexicanus têm concentrações mais altas de hemoglobina em comparação com peixes de superfície. Astyanax mexicanus consiste em morfotipos de caverna e superfície. Os morfos das cavernas estão distribuídos em numerosas cavernas da Sierra de El Abra, no nordeste do México, enquanto os morfos da superfície residem em rios, córregos e lagos próximos (a). Cada uma das três populações de cavernícolas exibiu concentrações estatisticamente significativamente mais altas de hemoglobina do que o morfo de superfície coespecífico (b, Chica WRS p = 0,005, Tinaja WRS p = 0,0005, Pachón WRS p = 0,0001). As concentrações de hemoglobina foram medidas por análise espectrofotométrica (c). Nenhum outlier foi detectado.

Uma pressão ambiental comumente presente em cavernas subterrâneas, níveis reduzidos de oxigênio, tem recebido muito menos atenção. Os ambientes subterrâneos em todo o mundo frequentemente têm níveis reduzidos de oxigênio em comparação com os ambientes terrestres circundantes devido à respiração do organismo6, ausência de entrada fotossintética6 e mistura limitada de ar com a atmosfera da superfície7. Medições empíricas de oxigênio dissolvido foram realizadas em duas cavernas de El Abra, Pachón e Tinaja, que demonstram níveis de oxigênio significativamente mais baixos em piscinas de cavernas em comparação com as águas superficiais circundantes (DO = 2,97 mg/L na caverna de Pachón em comparação com 8,20 mg/L em o ambiente de superfície (Rascón); 59% de saturação na caverna Tinaja em comparação com 80% de saturação no ambiente de superfície (Nacimiento del Río Choy)8,9. Embora essa característica ambiental provavelmente tenha impactado a evolução do peixe cavernícola Astyanax, poucos estudos têm abordou os supostos recursos adaptativos mitigando essa pressão10,11,12.