Введение

Гимнотиформы /dʒ//ɪ//m/'/n//ɒ//t//ᵻ//f//ɔːr//m//iː//z/ — это отряд телеостных костных рыб, широко известных как неотропические или южноамериканские рыбы-ножи. У них удлинённое тело и они плавают, совершая волнообразные движения удлинённым анальным плавником. Эти преимущественно ночные рыбы встречаются почти исключительно в пресной воде (исключение составляют виды, которые изредка могут заходить в солоноватую воду для кормления) и способны генерировать электрические поля для обнаружения добычи, навигации, коммуникации, а в случае электрического угрея (Electrophorus electricus) — для нападения и защиты. Некоторые виды популярны в аквариумистике, например, чёрная призрачная рыба-нож (Apteronotus albifrons), стеклянная рыба-нож (Eigenmannia virescens) и полосатая рыба-нож (Gymnotus carapo).

Анатомия и движение

Помимо электрического угрея (Electrophorus electricus), Gymnotiformes – это стройные рыбы с узкими телами и сужающимися к концу хвостами, отсюда и общее название «ножевые рыбы». У них отсутствуют тазовые и спинные плавники, но имеются сильно удлиненные анальные плавники, простирающиеся почти по всей нижней стороне тела. Рыбы плавают, совершая волнообразные движения этим плавником, сохраняя тело жестким. Такой способ передвижения позволяет им двигаться назад так же легко, как и вперед. У рыбы-ножа около 150 плавников-лучей вдоль ленточного анального плавника. Эти отдельные плавники-лучи могут изгибаться почти вдвое сильнее максимальной зарегистрированной кривизны плавников костных рыб во время движения. Эти плавники-лучи изогнуты в направлении движения, что указывает на активный контроль рыбы-ножа над кривизной плавников-лучей, и что эта кривизна не является результатом пассивного изгиба из-за гидродинамической нагрузки. Различные волновые паттерны, возникающие вдоль длины удлиненного анального плавника, обеспечивают различные виды тяги. Волновое движение плавника напоминает распространяющиеся синусоидальные волны. Волна, движущаяся вперед, связана с движением вперед, а волна в обратном направлении создает тягу в противоположном направлении. Это волнообразное движение плавника создает систему связанных вихревых трубок, формирующихся вдоль нижнего края плавника. Струя, образующаяся под углом к плавнику, напрямую связана с вихревыми трубками и обеспечивает движение, толкающее рыбу вперед. Волновое движение плавника аналогично движению других морских существ, например, изгибам тела угрей, однако было обнаружено, что водоворот, создаваемый рыбой-ножом, является обратным вихрем Кармана. Этот тип вихря также создается некоторыми рыбами, такими как форель, посредством колебаний хвостового плавника. Скорость движения рыбы в воде не коррелировала с амплитудой ее колебаний, однако напрямую зависела от частоты генерируемых волн. Исследования показали, что естественный угол между телом рыбы-ножа и ее плавником имеет решающее значение для эффективного движения вперед, поскольку, если бы анальный плавник располагался непосредственно под телом, то при движении вперед создавалась бы направленная вверх сила, что потребовало бы дополнительной направленной вниз силы для поддержания нейтральной плавучести. Осуществляя повороты, они могут создавать вертикальную тягу для быстрой и эффективной атаки на добычу. Тело остается относительно жестким, и смещение центра масс во время движения незначительно по сравнению с размером тела рыбы.

Электрорецепция и электрогенез

Эти рыбы обладают электрическими органами, которые позволяют им производить электрические поля, обычно слабые по силе. У большинства гимнотиформ электрические органы развиваются из мышечных клеток. Однако взрослые аптеронотиды – одно из исключений, так как их органы происходят из нервных клеток (спинальных электромоторных нейронов). У гимнотиформ электрический разряд может быть непрерывным или импульсным. В случае непрерывного разряда, он генерируется днем и ночью на протяжении всей жизни особи. Определенные характеристики электрического сигнала уникальны для каждого вида, особенно комбинация формы импульса, длительности, амплитуды, фазы и частоты. Электрические органы большинства гимнотиформ производят крошечные разряды всего в несколько милливольт, которые слишком слабы, чтобы причинить вред другим рыбам. Вместо этого они используются для ориентации в окружающей среде, включая поиск донных беспозвоночных, составляющих их рацион. Они также могут использоваться для передачи сигналов между особями одного вида. Помимо этого слабого поля, электрический угорь способен генерировать гораздо более мощные разряды для оглушения добычи. Фактическое количество видов в природе неизвестно. Считается, что гимнотиформы являются сестринской группой для силуриформ, от которых они отделились в меловом периоде (около 120 миллионов лет назад). Семьи традиционно классифицируются по подотрядам и надотрядам, как показано ниже. Их взаимоотношения были проанализированы путем секвенирования митохондриальных геномов в 2019 году. Результаты показали, что вопреки прежним представлениям, Apteronotidae и Sternopygidae не являются близкородственными таксонами, а Gymnotidae глубоко вложены среди других семейств. На филогенетическом дереве рыбы, активно использующие электролокацию, обозначены маленькой желтой молнией. Рыбы, способные наносить электрические удары, обозначены красной молнией. Другие электрические рыбы встречаются в других семействах (не показаны).

Распространение и среда обитания

Гимнотиформовые рыбы обитают в пресноводных реках и ручьях по всей влажной Неотропической области, от южной Мексики до северной Аргентины. Это ночные рыбы. Семейства Gymnotidae и Hypopomidae наиболее разнообразны по числу видов и обильны по числу особей в небольших реках и ручьях, не подверженных затоплениям, а также в пойменных "плавучих лугах" из водных макрофитов (например, Eichornium, амазонский водяной гиацинт). Apteronotidae и Sternopygidae наиболее разнообразны и обильны в крупных реках. Виды семейства Rhamphichthyidae умеренно разнообразны во всех этих типах местообитаний.

Эволюция

Gymnotiformes являются одними из наиболее эволюционно продвинутых представителей Ostariophysi – линии первичных пресноводных рыб. Единственные известные ископаемые остатки датируются миоценом, примерно 7 миллионов лет назад (Мя), и найдены в Боливии. В настоящее время представители Gymnotiformes не встречаются в Африке. Это может быть связано с тем, что они не успели распространиться в Африку до разделения Южной Америки и Африки, либо же они уступили конкуренцию Мормиридам (Mormyridae), которые, подобно им, используют электролокацию. Поскольку эта характеристика возникла после утраты электрорецепции у подкласса Neopterygii, хотя она присутствовала у общего предка позвоночных, ампулярные рецепторы Gymnotiformes не гомологичны рецепторам других челюстных нетелеостных видов, таких как хрящевые рыбы (Chondrichthyes). Gymnotiformes и Mormyridae развили свои электрические органы и электросенсорные системы (ЭСС) в результате конвергентной эволюции. Как показывают Арнегард и др. (2005) и Альберт с Крамптоном (2005), их последний общий предок жил примерно 140–208 Мя назад и не обладал ЭСС. Каждый вид мормирусов (семейство Mormyridae) и Gymnotus (семейство Gymnotidae) выработал уникальную форму сигнала, позволяющую отдельным особям различать виды, пол, отдельных особей и даже оценивать пригодность потенциальных партнеров. Различия заключаются в направлении начальной фазы сигнала (положительная или отрицательная, что коррелирует с направлением тока через электроциты в электрическом органе), амплитуде, частоте и количестве фаз сигнала. Важным фактором, определяющим эту эволюцию, является хищничество. Наиболее распространенными хищниками Gymnotiformes являются близкородственные сомообразные (Siluriformes), а также внутривидовое хищничество (например, *Electrophorus electricus* является одним из крупнейших хищников *Gymnotus*). Эти хищники способны воспринимать электрические поля, но только на низких частотах, поэтому некоторые виды Gymnotiformes, такие как представители рода *Gymnotus*, сместили частоту своих сигналов, чтобы стать менее заметными. Сексуальный отбор также играет важную роль, проявляясь в необычной форме: самки предпочитают самцов с низкочастотными сигналами (которые легче обнаруживаются хищниками). Поскольку такие сигналы более заметны для хищников, их излучение самцами демонстрирует способность избегать нападения. Ограниченный обмен генами из-за географических барьеров привел к значительным различиям в морфологии сигналов в разных ручьях и речных бассейнах.