Artikkel

Dyphavsfisk kan se en slags farger i stummende mørke

Dypvannsfisken Diretmus argenteus
Dypvannsfisken Diretmus argenteus kan se en slags farger i det som for mennesker ville vært stummende mørke. Illustrasjon: Pavel Riha, Universitetet i Sør-Böhmen, Tsjekkia

Dyphavsfisk kan se en slags farger i stummende mørke

Mennesket og mange andre pattedyr må nøye seg med fire ulike lysfølsomme proteiner i stavene og tappene i netthinnen, og dette gir oss et brukbart fargesyn i dagslys og et redusert svart/hvitt syn under dårlige lysforhold. Men fiskearter som lever på store havdyp, kan ha opptil 40 ulike proteiner å  hjelpe seg med. Det betyr antakelig at de ser en slags farger i det som for mennesker er et stummende mørke.  

Kjetill S. Jakobsen, Martin Malmstrøm og Ole Kristian Tørresen, CEES og IBV
 Kjetill S. Jakobsen (t.v.), Martin Malmstrøm og Ole Kristian Tørresen er tre av CEES-forskerne som har undersøkt hva dypvannsfisk egentlig ser i stummende mørke.  Foto: Bjarne Røsjø/UiO Bruk bildet.

Mennesker og mange andre virveldyr har tre ulike lysfølsomme proteiner i de såkalte tappene i netthinnen og ytterligere ett lysfølsomt pigment i stavene. Proteinene i tappene fungerer best i godt lys og gir oss fargesyn, mens proteinene i stavene fungerer i svakere lys og gir et svart/hvitt bilde av omgivelsene.

Men synssansen hos noen av fiskene som lever på dypt vann i havet, i et evig mørke, er mye bedre utstyrt enn menneskets synssans. Med utgangspunkt i dypvannsfiskenes genomer har forskere ved CEES på UiO, og kolleger i blant annet Sveits og Australia, nå sett nærmere på synet hos hele 101 fiskearter. De fleste hadde bare ett lysfølsomt protein – som virveldyrene – i stavene. Men 13 av dem levde i dyphavet og hadde i tillegg flere gener og lysfølsomme proteiner som ikke har vært kjent tidligere.

– Disse ekstra proteinene er membran-proteiner som antakelig er spesialtilpasset til å registrere det svake lyset som finnes i dyphavet, forteller professor Kjetill S. Jakobsen ved CEES (Senter for økologisk og evolusjonær syntese).

Han er en av forfatterne bak den vitenskapelige artikkelen som torsdag ble publisert i et av verdens mest anerkjente forskningstidsskrifter, amerikanske Science, med en henvisning på tidsskriftets forside.

– Rekordholderen er piggfinnefisken Diretmus argenteus, som har hele 38 ulike lysfølsomme proteiner i stavene og to i tappene. Proteinene i stavene reagerer på ulike bølgelengder, og det tyder på at stavene gir denne fisken et slags fargesyn. Denne fisken får altså et fargesyn gjennom stavene som bare gir oss mennesker et svart/hvitt-syn, tilføyer Jakobsen.

Et svakt blått lys

Tre dypvannsfisker som kan se i mørke
Tre dyphavsfisk som antakelig ser godt i mørke: piggfinnefisken Diretmus argenteus (øverst), lysprikkfisken Benthosema glaciale og det merkelige "rørøyet" Stylephorus chordatus. Illustrasjon: Pavel Riha, Universitetet i Sør-Böhmen, Tsjekkia

De undersøkte dyphavsfiskene lever mellom ca. 200 og 1500 meter under havoverflaten, i en fremmedartet verden hvor vannmassene har filtrert bort mesteparten av dagslyset. Det eneste som er igjen av lyset fra oven på slike dyp, er et svakt blålig lys med bølgelengder mellom 400 og 500 nanometer.

Men dyphavet er ikke fullstendig mørkt, for langt der nede lever det alger, fisk, maneter osv. som sender ut sitt eget lys – fenomenet kalles bioluminescens. Lyset fra disse skapningene ligger typisk i området mellom 420 og 520 nanometer. På dyp større enn ca. 200 meter – avhengig av vannkvaliteten – vil lyset fra bioluminescens være sterkere enn restene av dagslyset.

Piggfinnefisken og de andre dyphavsfiskene som har flere ulike pigmenter i netthinnen, er antakelig i stand til å se både lyset som kommer ovenfra og lyset fra ulike levende skapninger som sender ut lys med litt ulike bølgelengder.

– Dette arbeidet startet egentlig for mange år siden, da en gruppe forskere her ved CEES planla å kartlegge det evolusjonære slektskapet mellom ulike fiskearter ved å studere genene deres. Det var gjennom det prosjektet vi blant annet oppdaget at torskefiskene mangler en sentral del i immunsystemet. Så begynte vi å se på disse dyphavsfiskene, fordi vi blant annet lurte på hvor mye de egentlig kunne se i mørket på store dyp, forteller Jakobsen.

– Nå har vi altså oppdaget at 13 dyptlevende fiskearter i tre ulike beinfisk-grupper har flere gener som ikke er kjent fra før. Disse genene sørger for at fiskene også har et utvidet repertoar av lysfølsomme proteiner, eller rhodopsiner, som heller ikke har vært kjent fra før. Rhodopsinene reagerer på litt forskjellige bølgelengder i det blålige lyset som finnes på dyphavet, og derfor tror vi at fiskene ser noe som kan sammenliknes med farger, presiserer han.

LES OGSÅ: Dyphavsfisk reagerer på regnvær

Fant genene først

CEES-forskerne lette ikke primært etter pigmenter i dypvannsfiskenes staver og tapper: De begynte isteden med å undersøke alle genene i dypvannsfiskenes genomer. Slik oppdaget de en rekke gener som inneholdt «oppskrifter» på mange ulike lysfølsomme pigmenter. Disse genene hadde, nærmere bestemt, variasjoner i et spesielt DNA-segment som regulerer hvilken farge/bølgelengde proteinene er følsomme for.

slik virker synssansen

Utgangspunktet for synssansen er at fotoner kommer utenfra og treffer øyets netthinne, som er utstyrt med et stort antall lysreseptorer (staver og tapper).

  • Noen av fotonene treffer en sentral kjemisk binding i et lysfølsomt protein. Hvis fotonet har den riktige bølgelengden og frekvensen, kan det utløse en liten strukturendring i proteinet.
  • Strukturendringen utløser en lang kjedereaksjon som til slutt fører til at det går et lite elektrisk signal inn til synshjernebarken.
  • Tappene i menneskets netthinne registrerer lys med bølgelengder mellom ca. 380 nanometer (fiolett) og ca. 750 nanometer (rødt).
  • Stavene er mest sensitive for lys med bølgelengde omkring ca. 500 nanometer.

– Men det var ikke nok å påvise at fiskene har mange ulike gener, for gener kan ligge i genomet uten å være uttrykt. Derfor tok vi ut de aktuelle genene og satte dem inn i bakterier, som satte i gang med å syntetisere de ulike proteinene. Og så undersøkte vi hvilke bølgelengder proteinene absorberte, forteller Jakobsen.

Den sølvskimrende piggfinnefisken Diretmus argenteus er altså rekordholderen med 40 ulike lysabsorberende pigmenter, 38 i stavene og to i tappene, men forskerne fant også flere arter som var godt utstyrt med rhodopsiner.

– Lysprikkfisken Benthosema glaciale har fem ulike rhodopsiner, mens det merkelige «rørøyet» Stylephorus chordatus har seks varianter. Vi undersøkte også noen slektninger av rekordholderen, og der fant vi opptil 14 rhodopsiner, forteller Martin Malmstrøm.

Han var postdoktor og sentral i arbeidet med å plukke ut de genene som forskerne senere fokuserte på, og  han er nå prosjektleder i Vitenskapskomiteen for mat og miljø.

Professor Jakobsen understreker at forskerne ikke kan vite 100 prosent sikkert at fiskene ser en slags farger i dyphavet.

– Den absolutte sikkerheten kunne vi bare oppnådd hvis vi monterte elektroder i hjernen på disse fiskene og analyserte hjernebølger mens de svømte rundt. Det lar seg neppe gjøre. Men vi er likevel ganske sikre på at både genene og rhodopsin-variantene er aktive. Hvis fiskene ikke hadde noen praktisk nytte av evnen til å se lys med ulike bølgelengder, ville de antakelig mistet evnen etterhvert, analyserer Jakobsen.

Er du interessert i forskningsnyheter om fisk, realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Gener blir fordoblet

De nye analysene viser at dypvannsfiskenes gen-varianter har oppstått gjennom serier med genduplikasjoner som kan ha begynt for kanskje 50 millioner år siden. Slike duplikasjoner kan skje spontant i naturen, og dypvannsfiskenes stamfar hadde sannsynligvis ett gen for produksjonen av rhodopsiner. Duplikasjonen innebærer så at et område i DNA blir fordoblet, og slik kan etterkommerne plutselig ha to versjoner av det samme genet. Deretter kan genene forandre seg – mutere – uavhengig av hverandre, og dermed kan fisken få rhodopsiner som for eksempel reagerer på litt ulike lysfrekvenser.

Teamet bak forskningen

  • Seks forskere med CEES-tilknytning står bak det nye funnet: Postdoktorene Michael Matschiner, Martin Malmstrøm og Ole Kristian Tørresen, forsker Sissel Jentoft, professor Kjetill S. Jakobsen, og professor II Walter Salzburger.
  • CEES-forskerne har samarbeidet tett med seks forskere fra Universitetet i Basel, samt med forskere fra Australia, USA, Tyskland og Saudi-Arabia.

– Vi vet fra før at hvis et gen først er duplisert én gang, er det etterpå lettere å utvikle flere duplikasjoner. Derfor finner vi som regel ikke bare to kopier av det samme genet når vi analyserer arter. Det er mer vanlig å finne flere kopier, påpeker postdoktor Ole Kristian Tørresen.

Satset på synet

Tannhvaler og flaggermus er eksempler på pattedyr som har utviklet et sanseapparat som bruker ekkolokalisering til å orientere seg i stummende mørke og til å bestemme hvor et eventuelt bytte befinner seg. Ekkolokalisering går ut på at dyret sender ut en serie med lydbølger som reflekteres tilbake når det treffer noe, eksempelvis en fisk eller noe annet.

– Men hos disse dyphavsfiskene er det altså synssansen som har utviklet seg isteden, slik at de kan se forholdsvis godt i det vi mennesker ville oppfatte som stummende mørke. Man kan bare la seg imponere av naturens og evolusjonens evne til å finne løsninger som fungerer, kommenterer Jakobsen.

Det er et enormt arbeid som ligger bak den nye vitenskapelige artikkelen i Science. Selve artikkelen er på bare fem A4-sider, men forskerne har også brukt ca. 100 sider i et vedlegg på å forklare detaljene i hvordan de gikk fram. Det var utfordringer innen en rekke fagfelt, og det var for eksempel et prosjekt i seg selv å få tak i et tilstrekkelig antall arter av dypvannsfisk. Derfor var det nødvendig med et tverrfaglig team av evolusjonsbiologer, molekylærbiologer, fiskeøkologer, marinbiologer og synsfysiologer for å kunne gjennomføre studien.

Kontaktperson:

Professor Kjetill S. Jakobsen, CEES og Institutt for biovitenskap

Den vitenskapelige artikkelen:

Musilova, Cortesi et al.: Vision using multiple distinct rod opsins in deep-sea fishes. Science, published 9 May 2019.

Les mer om fiskeforskning og syn på Titan.uio.no:

Les også

Dypvannsfisken Diretmus argenteus

Deep-sea fish see color in pitch-black darkness

Humans, along with many other mammals, must make do with four different light-sensitive proteins in the rods and cones of our retinas. However, fish species living in the deep sea can have up to 40 different proteins aiding their vision. This means that they most likely see some sort of color where humans would only see pitch-black darkness.

Kilogramprototypen på Kjeller

I dag er kiloen død – leve den nye kiloen!

Originalkiloen i Paris går av med pensjon i dag. For forskere blir alt enklere og mer nøyaktig når måleenhetene defineres ut fra fysiske konstanter. For andre kan det være som å miste et håndfast holdepunkt i tilværelsen.

Norges flagg

Ha en feiende flott og naturvitenskapelig 17. mai!

Hvis det blir litt mye tog, korpsmusikk og svulstige taler om grunnlovsdagen og demokratiet, kan du jo ta en naturvitenskapelig pust i bakken. Er for eksempel matematikken som den skal i flagget ditt?