Než přijdou deště

Zárodečný vývoj anuálních halančíků

Anuální halančíci (Obr. 1) jsou ryby pro specializované akvaristy. Dožívají se totiž jenom pár měsíců a jejich jikry vyžadují zvláštní péči. Až na výjimky je pro zdárný vývoj embrya potřeba, aby jikry prošly tzv. suchou fází. Embryo, které dokončí svůj vývoj, se líhne po následném zalití vodou. V přírodě se anuální halančíci vyskytují ve vysychavých tůních Afriky a Ameriky (Obr. 2). Tůně jsou zaplaveny pouze v období dešťů, přičemž v období sucha populace přežívají právě díky odolným jikrám. Podrobnější informace o obecné ekologii anuálních halančíků najde zájemce v našem předešlém článku v Akváriu č. 39.

Pouhá odolnost jiker vůči suchu ovšem k dlouhodobému přežití embrya nestačí. Embrya anuálních halančíků k tomu ještě dokážou zcela zastavit svůj vývoj, v extrémech i na několik let, a téměř zastavit svůj metabolismus. Tato vývojová zastávka se nazývá diapauza a je pro embrya halančíků nutností ze dvou důvodů. Za prvé, období sucha je dlouhé, trvá i více než sedm měsíců, kdy embryu zůstává pro jeho přežívání, růst a vývoj pouze energie uložená ve žloutku. Kdyby se v diapauze metabolizmus téměř úplně nezastavil, embryo by své energetické zásoby vyčerpalo příliš brzo. Za druhé, embryo je v diapauze mnohem odolnější proti vlivům prostředí. Embryonální stadia obratlovců bývají obecně velice citlivá na jakékoliv zhoršení podmínek, přičemž jikry halančíků procházejí při svém vývoji opravdovými extrémy (vyschnutí tůně, nepřítomnost kyslíku v zaplaveném bahně). Když je však embryo ve stavu pozastaveného vývoje, dopad potenciálního negativního vlivu je minimalizován. Biologické procesy, které by mohl zásah narušit, prostě ani neprobíhají.

 S diapauzou se můžeme setkat u řady bezobratlých, ale i obratlovců. Diapauza anuálních halančíků je ale jedinečná svou komplexností. Embryo může – ale nemusí – zastavit vývoj ve třech přesně definovaných vývojových stadiích (Obr. 3). Každé z těchto klidových stadií má své zaužívané označení. Diapauza I (DI) nastává ještě předtím, než se v jikře zformuje viditelné embryo, a zárodečné buňky jsou rozptýlené po povrchu žloutku. Do diapauzy II (DII) vstupuje již zformované embryo, „malá průhledná rybička“, která má vyvinuté základy orgánových soustav. Diapauzu III (DIII) představuje embryo s plně dokončeným vývojem, které je připraveno na vylíhnutí a čeká na zaplavení tůně. Tato diapauza je pro chovatele halančíků známá jako „stadium zlatých očí“. Když jsou v jikře vidět dva drobounké zlaté body, chovatel ví, že může zalévat.

Každá ze tří diapauz je fakultativní neboli volitelná. To znamená, že embryo halančíka může vstoupit do všech diapauz, jen některé, nebo je všechny přeskočit. Dle teoretických předpokladů je tato vlastnost rozhodující pro dlouhodobé přežívání populací halančíků v nevyzpytatelném prostředí vysychavých tůní. Deště přijdou někdy dříve, jindy později, množství celkových srážek se také meziročně liší, někdy deště nepřijdou vůbec. Kdyby byly všechny jikry halančíků ve stejné diapauze, líhly by se pak také všechny najednou. V případě slabých srážek, které zaplní tůň jenom trochu, by se mohlo stát, že by tůň vyschla ještě před tím, než ryby dospějí. Celá populace by pak vyhynula. Když se však embrya nacházejí v různých diapauzách, je v rámci jedné tůně připravena na líhnutí jenom část jiker. Tato vnitropopulační variabilita (asynchronie) zvyšuje šanci na dlouhodobé přežívání populace a je dobře známá i chovatelům halančíků. Substrát s jikrami (nejčastěji rašelinu) zalévají opakovaně, protože po první zálivce se často stane, že velká část jiker se jaksi odmítne vylíhnout.

O tom, jak se vyvíjí jikry anuálních halančíků v přírodě doopravdy, se až donedávna nevědělo vůbec nic. Existovaly pouze teoretické scénáře, založené na pozorování z akvarijních chovů. Jelikož tam se i za stejných podmínek embrya vyvíjejí nestejnoměrně, předpokládalo se, že vývoj konkrétního embrya je předurčen především jeho vnitřním programem. Každá jednotlivá jikra má již od nakladení svůj vlastní program toho, jak se bude vyvíjet a zda se zastaví v některé z diapauz. Tato rozmanitost (v akvarijních chovech zdánlivě nezávislá na vnějších podmínkách) byla považována za klíčovou vlastnost pro přežití v sezónně dynamickém, do velké míry nepředvídatelném prostředí. Zkrátka ten, kdo vsadí v ruletě na všechna čísla, vyhraje určitě. Přestože je výhra z hlediska vkladu relativně bezvýznamná, již uhodnutí „jednoho čísla“, a tedy přežití alespoň části potomstva do dalšího období dešťů, znamená pokračování ve hře. Rodiče s rozmanitým potomstvem tak mají zajištěno přežití další generace halančíků.

Výzkum embryonálních stadií u přírodních populací brzdila absence vhodné metody vzorkování. Průhledné kuličky jen o málo větší než jeden milimetr se v substrátu dna tůní, tj. v bahně nebo suché hlíně, hledají docela těžko. Naší skupině výzkumníků z brněnského Ústavu biologie obratlovců AV ČR se však podařilo přijít na relativně jednoduchou metodu, která umožnila získat jikry ze dna vyschlé tůně. Půda s jikrami se nejdříve rozpustí a naředí vodou, toto bahno se následně zbaví nejhrubších nečistot (stébel trav a kořínků) a přecedí přes síto o vhodné velikosti. Ze síta se pak při bodovém osvětlení vybírají jikry ručně pomocí pipety (Obr. 4).

Vzorkování divokých populací překvapivě odhalilo, že vývoj jiker anuálních halančíků v Jižní Americe i Africe je do velké míry synchronní a závisí na podmínkách prostředí. V období před vyschnutím, kdy je tůň ještě zaplavená, ale jikry jsou už nakladeny, je vývoj všech embryí pozastaven v DI. V absolutní míře to platí pro zkoumané druhy rodu Nothobranchius z Mosambiku a Tanzanie (vzorek tvořený hlavně N. furzeri, N. orthonotus, N. pienaarii, N. melanospilus, N. eggersi). Z velké části to platí i pro americký rod Austrolebias vzorkovaný v Uruguayi (především A. bellottii a A. charrua).

Pravděpodobným důvodem, proč je zaplavená tůň spojena s DI, je velmi nízký obsah kyslíku v bahně. Vývojové stadium DI, kdy jsou jednotlivé embryonální buňky volně rozptýleny po povrchu žloutku bez vzájemného kontaktu, se totiž ukázalo jako vysoce odolné vůči nedostatku kyslíku. Jikry zůstávají v DI, až dokud tůň nevyschne, což nám pomohla potvrdit i souhra okolností. Během našeho výzkumu v Jižní Americe jsme se nevyhnuli dopadu klimatické anomálie El Niño, která má v Uruguayi za následek výjimečně deštivé léto. Tůně kvůli tomu během celé sezóny vůbec nevyschly! Naše pozorování potom potvrdilo citlivost embryí k podmínkám prostředí, protože po dobu šesti měsíců zůstal beze změny i vývojový profil s převažující DI.

V následujícím roce El Niño ustoupil a tůně v Uruguayi byly opět bez vody tak, jak to bývá obvyklé. Na konci období sucha zůstalo v DI jen minimum jiker (tj. 2–3 %). Většina jiker se nacházela v DII (74 %) a zbytek mezi DII a DIII. U afrických Nothobranchius (N. furzeri, N. orthonotus, N. pienaarii) byly uprostřed období sucha v DII všechny jikry. Výjimkou byla pouze jedna polovyschlá lokalita s mokrým bahnem, kde byly jikry v DI a DII v přibližně vyrovnaném poměru. Toto pozorování opět ukázalo, že embrya „naslouchají“ svému prostředí a vyvíjejí se dle okolních podmínek. Že jsou suché tůně spojeny právě s DII jde dobře vysvětlit výsledky laboratorních testů, které ukázaly, že DII je stadium nejlépe odolávající mimo jiné i nízké vlhkosti.

Probuzení části jiker z DII nastalo v Mosambiku podobně jako v Uruguayi až na konci období sucha. I když přesný mechanismus není ještě plně znám, je pravděpodobné, že k opuštění DII a následnému dokončení vývoje embryí (DIII) přispívá navlhčení půdy úvodními sezónními srážkami nebo zvyšující či snižující se teplota (v Mosambiku zahrnuje období dešťů nejteplejší část roku, v Uruguayi nejchladnější).

Proč se jikry v přírodě vyvíjejí jinak než v lidské péči? Tam nejsou běžně přítomny některé faktory, které v přírodě „převálcují“ vnitřní naprogramování jiker. Například prostředí s velmi nízkým obsahem kyslíku, typickým pro zaplavené bahno, prakticky nelze simulovat při použití klasické rašeliny nebo kokosových vláken. Jiná je také textura substrátu, v němž jsou jikry uloženy. V přírodních podmínkách je to vždycky jílovitá půda sestávající z velmi drobných částeček, která vlhne a vysychá jiným způsobem než rašelina a kokosová vlákna, tedy běžně používané substráty organického původu. V neposlední řadě je pro přírodní poměry typické kolísání teploty během sezóny, i krátkodobě, mezi dnem a nocí. To se ale v lidské péči děje jen výjimečně a většinou inkubace probíhá za stálé teploty.

Jak již víme, variabilita uvnitř populace, tedy nestejnoměrný vývoj embryí v tůni, je klíčovou vlastností pro dlouhodobé přežívání anuálních halančíků. Jak tedy přežívají jejich divoké populace, když přírodní podmínky vývoj spíše sjednocují? Odpovědí může být prostorová různorodost v inkubačních podmínkách. V přírodě lze nalézt jikry roztroušené po celé tůni, a to jak v nejhlubších středových částech, tak i na okrajích okolo břehu. Variabilní je také hloubka jejich uložení v půdě dna. Jikry se mnohdy nacházejí hlouběji, než by se dalo čekat, i v hloubce přes 20 cm. „Zakopala“ je tam totiž kopyta dobytka, který se přichází napojit do tůní s halančíky (kdysi plnili stejnou funkci velcí divocí býložravci) (Obr.5).

Popsaná prostorová variabilita v uložení jiker velmi pravděpodobně zásadní měrou přispívá k rozrůznění vývoje jiker v rámci jedné tůně. Okrajové části vysychají dříve než nejhlubší místa. Půda také vysychá od povrchu směrem dolů, k zaplavení dochází od nejhlubších částí směrem k okraji. Jelikož se jikry vyvíjí dle podmínek ve svém blízkém okolí, jikra v stále mokrém bahně zůstane zaseknutá v DI, jikra z vyschlého okraje postoupí do DII a následně možná i celý embryonální vývoj dokončí. To naznačilo i naše přímé pozorování z jihoamerického terénu během El Niña. V průběhu zmíněných šesti měsíců jsme pravidelně odebírali vzorky jiker z permanentně zaplavených míst v tůních s výskytem rodu Austrolebias. Na vykopaných jikrách nebyl pozorovatelný žádný vývojový posun, zůstávaly zaseklé ve stadiu DI. Nicméně jednoho dne se v tůni i tak objevila spousta mláďat halančíků. Jelikož určitě nepocházela ze zaplavených hlubších míst, která jsme pravidelně vzorkovali, musela pocházet z okrajů tůně. Hladina vody totiž v důsledku srážek v daném roce kolísala. Pokles vodní hladiny inicializoval dokončení vývoje a při následném opětovném vzestupu hladiny se halančíci vylíhli. Rozdílné podmínky v jednotlivých částech tůně v důsledku způsobují podstatnou část variability ve vývoji embryí přírodních populací.

Kdo sleduje současně embryonální vývoj afrických i amerických anuálních ryb, všimne si ještě jedné pozoruhodnosti. Všechno je velmi podobné. Obě linie mají tři možné diapauzy a embrya do DI, DII i DIII vstupují přesně v těch samých, velmi jednoznačně definovaných vývojových stadiích. Spojení konkrétního typu diapauzy s danou sezónní fází (DI – zaplavená tůň, DII – vyschlá tůň) je také stejné pro oba kontinenty. Vzhledem k nápadné podobnosti je velice zajímavé, že všechny naše současné znalosti ukazují na nezávislý původ systému diapauz u africké a americké linie anuálních halančíků. Jinými slovy, během evoluce došlo opakovaně k nápadně podobnému řešení problému přežití rybích jiker bez vody. Africká a americká linie neměly žádného společného předka se schopností vstupovat do diapauzy, od kterého by tuto schopnost podědily. Kontinenty se nejdříve vzájemně oddělily spolu se svými halančíky (kteří ještě diapauzu „neuměli“), a až následně na obou kontinentech vznikla diapauza nezávisle. Pokud početné vědecké důkazy o nezávislé evoluci diapauzy halančíků nejsou mylné (což principiálně nelze zcela vyloučit), znamenalo by to, že pro dlouhodobé přežívání rybích jiker mimo vodní prostředí skutečně existuje jenom velmi omezený rozsah evolučních přizpůsobení. Ryba, která to chce dokázat, na to musí prostě jít přes diapauzu po vzoru halančíků.

Zdroje: [1] Berois N., García G., de Sá R. (eds.)(2015): Annual Fishes: Life History Strategy, Diversity, and Evolution. CRC Press, pp. 207-229. [2] Cellerino A., Valenzano D. R., Reichard M. (2016): From the bush to the bench: the annual Nothobranchius fishes as a new model system in biology. Biological Reviews, 91, 511-533. [3] Podrabsky, J.E., Riggs, C.L., Romney, A.L., Woll, S.C., Wagner, J.T., Culpepper, K.M., Cleaver, T.G. (2017): Embryonic development of the annual killifish Austrofundulus limnaeus: An emerging model for ecological and evolutionary developmental biology research and instruction. Developmental Dynamics, 246, pp.779-801. [4] Polačik M., García D., Arezo M. J.., Papa N, Schlueb H.., Blanco D, Podrabsky J. E., Vrtílek M. (2023): Embryonic development of natural annual killifish populations of the genus Austrolebias: Evolutionary parallelism and the role of environment. Freshwater Biology, doi: 10.1111/fwb.14161. [5] Polačik M., Vrtílek M., Reichard M., Žák J., Blažek R., Podrabsky J. (2021): Embryo ecology: developmental synchrony and asynchrony in the embryonic development of wild annual fish populations. Ecology and Evolution, 11, 4945-4956.