Les mudskippers pourraient être la clé pour comprendre l’évolution du clignement

Bien que les mudskippers soient apparentés de loin aux tétrapodes, le groupe qui comprend les humains et d’autres vertébrés à quatre membres, les chercheurs pensaient que l’étude du poisson pourrait révéler l’évolution du clignotement lorsque ces animaux ont commencé à se déplacer sur terre.

L’équipe de recherche, qui comprenait plusieurs étudiants de premier cycle, a publié ses découvertes dans l’article “The Origin of Blinking in Both Mudskippers and Tetrapods Is Linked to Life on Land”, dans Actes des Académies nationales des sciences.

“En comparant l’anatomie et le comportement des mudskippers aux archives fossiles des premiers tétrapodes, nous soutenons que le clignotement est apparu dans les deux groupes comme une adaptation à la vie sur terre”, a déclaré Tom Stewart, professeur adjoint à Penn State et auteur de l’article. . “Ces résultats nous aident à comprendre notre propre biologie et soulèvent toute une série de nouvelles questions sur la variété des comportements de clignotement que nous observons chez les espèces vivantes.”

Clignotement

Les mudskippers clignent des yeux en aspirant leur œil vers le bas dans leur orbite. L’évolution de ce comportement n’a cependant pas nécessité l’évolution de beaucoup de nouvelles parties telles que de nouveaux muscles ou des glandes spéciales. Au lieu de cela, les mudskippers utilisent leur ensemble existant de muscles oculaires d’une nouvelle manière.

“C’est un résultat très excitant car il démontre que l’évolution d’un nouveau comportement complexe peut être obtenue en utilisant un ensemble de structures relativement rudimentaires”, a déclaré Brett Aiello, ancien boursier postdoctoral au Agile Systems Lab et maintenant professeur adjoint à Seton. Colline.

Ensuite, l’équipe de recherche a cherché à déterminer pourquoi les mudskippers clignent des yeux. Dans une série d’expériences, ils ont découvert que les mudskippers clignent des yeux pour trois fonctions principales : mouiller, nettoyer et protéger l’œil. Ces fonctions sont également la raison pour laquelle les humains et les autres vertébrés terrestres clignent des yeux.

“Nous constatons qu’un comportement unique peut être déployé pour accomplir trois fonctions complexes et distinctes”, a déclaré Aiello. “Ces résultats aident non seulement les humains à comprendre notre propre histoire, mais nous aident également à réévaluer les adaptations nécessaires aux transitions majeures de l’histoire évolutive des vertébrés, comme le passage de l’eau à la terre.”

Le clignotement n’est pas seulement une question de recherche unique, mais aussi un mécanisme important à comprendre, selon Saad Bhamla, professeur adjoint à la School of Chemical and Biomolecular Engineering de Georgia Tech et auteur de l’article.

“Nous clignons tous des yeux sans réfléchir, et comprendre pourquoi nous clignons des yeux est un si beau puzzle juste devant nos yeux”, a déclaré Bhamla. “Grâce à nos recherches sur les mudskippers et en menant des analyses biophysiques et morphologiques, nous exposons comment le clignotement remplit une multitude de fonctions d’adaptation à la vie hors de l’eau.”

Engager les étudiants de premier cycle

Pour explorer ces questions ouvertes, les chercheurs ont engagé le programme Vertically Integrated Projects (VIP), qui permet aux étudiants de premier cycle de mener des projets de recherche à long terme et à grande échelle dans le cadre de leurs cours à Georgia Tech.

“La structure du cours VIP permet aux étudiants de vraiment s’appuyer sur leur propre créativité et de conduire le projet dans les directions qui les intéressent le plus”, a déclaré Aiello. “Cela aide nos étudiants à acquérir la capacité de résoudre des problèmes inconnus sur le terrain au fur et à mesure qu’ils surviennent – beaucoup de gens deviennent des scientifiques pour pousser la recherche là où personne d’autre n’a essayé d’aller auparavant.”

La structure VIP est par nature pluridisciplinaire. Bien qu’Aiello soit biologiste, la plupart des étudiants étaient ingénieurs et ont apporté leur expertise respective. Manognya Sripathi était une majeure en génie biomédical avec une mineure en informatique et a offert son expérience unique au problème du mudskipper.

“J’ai utilisé mes compétences en informatique pour collecter des données brutes, les analyser et les tracer à l’aide de programmes tels que MATLAB ou Python”, a déclaré Sripathi. “J’ai également utilisé des compétences en ingénierie pour aider à construire l’équipement expérimental, nous permettant d’appliquer des méthodes d’ingénierie pour étudier un problème biologique d’une manière unique.”

Aller au-delà des mudskippers

La recherche n’a pas seulement élargi les connaissances sur les mudskippers, elle a également contribué aux aspirations futures de chaque élève. Par exemple, la trajectoire de Kendra Washington a été influencée par les deux semestres qu’elle a passés au labo.

“VIP m’a rapproché des domaines de la programmation et des appareils de ma majeure en génie biomédical et a confirmé pourquoi j’ai choisi une mineure en informatique”, a-t-elle déclaré. “J’ai continué à poursuivre cette fusion par le biais de stages et de recherches ultérieurs, et je travaille maintenant avec la surveillance hémodynamique. Mais dans un sens, j’aide toujours à caractériser la physiologie par la programmation.”

VIP a également élargi les connaissances et l’expérience scientifique des étudiants qui les ont propulsés bien au-delà du laboratoire. Hajime Minoguchi, diplômé en génie biomédical, travaille désormais comme ingénieur de recherche et développement en intégration de systèmes grâce à son expérience dans la classe.

“Travailler dans une équipe interdisciplinaire comme celle-ci m’a permis d’apprendre à comprendre et à communiquer des idées entre les disciplines, ce qui m’a permis d’être un ingénieur plus complet”, a déclaré Minoguchi. “Mon travail nécessite une compréhension approfondie de la biologie, des circuits électriques, des logiciels, des micrologiciels, des interactions mécaniques et de la physique. Cette expérience VIP m’a permis de réussir dans mon travail actuel.”

La recherche est bien plus grande que la somme de ses parties et apporte une meilleure compréhension de l’évolution, a noté Simon Sponberg, professeur agrégé à l’École de physique et à l’École des sciences biologiques.

“Le clignotement est le reflet d’une question plus vaste”, a déclaré Sponberg. “Comment se sont produites les transitions évolutives majeures qui ont permis aux organismes d’habiter pratiquement tous les environnements de cette planète ? Ce que nous avons appris, c’est que vous n’avez pas besoin de l’évolution de beaucoup de musculature ou de glandes spécialisées ; l’évolution peut bricoler les structures qui sont déjà là, leur permettant d’être utilisés d’une nouvelle manière et pour un nouveau comportement.”