Генная мутация превратила некоторых рыб в бесстрашных исследователей

Фото из открытых источников

240 видов рыб-цихлид, обитающих в африканском озере Танганьика, имеют поразительное разнообразие форм и размеров: от ракушки размером со скрепку, обитающей в заброшенных раковинах улиток, до почти метровой императорской цихлиды. Биологи уже давно задаются вопросом, что послужило причиной такого всплеска эволюционного творчества. 

Теперь исследователи продемонстрировали то, что многие подозревали, но не смогли доказать: поведение предкового вида — в данном случае стремление к исследованиям — подготовило почву для быстрой эволюции. Работа, опубликованная в журнале Science, также связывает эту поведенческую черту с конкретной генетической мутацией.

За 10 миллионов лет, прошедших с тех пор, как образовалось озеро Танганьика площадью 32 000 квадратных километров, заполнившее гигантскую трещину в Африканской рифтовой долине, его цихлиды быстро эволюционировали, чтобы воспользоваться разнообразными средами обитания озера, которые включают как каменистое, так и песчаное дно и районы с и без растительного покрова. Некоторые цихлиды специализируются на поедании планктона; другие питаются водными растениями, яйцами, беспозвоночными и даже другой рыбой. Разнообразие образа жизни привело к появлению множества форм и размеров тела и рта.

С тех пор, как Дарвин изучил вариации клювов галапагосских вьюрков, во многих исследованиях изучалось, как окружающая среда может вызывать такое адаптивное излучение. Но мало кто задумывался о том, какой вклад может внести поведение. «Люди уже давно думают, что это важно, но никаких испытаний на этот счет никогда не проводилось», — говорит Джесси Вебер, биолог-эволюционист из Университета Висконсин-Мэдисон.

В новом исследовании Уолтер Зальцбургер, биолог-эволюционист из Базельского университета, и его коллеги использовали искусственные пруды длиной 4,5 метра, чтобы проверить, насколько охотно различные цихлиды впервые исследуют среду обитания. Используя по 12 особей каждого из 57 видов, постдок из Зальцбургера Кэролин Зоммер-Трембо измерила, какую часть пруда каждая рыба исследовала за первые 15 минут. 

Некоторые рыбы, например, шелуши, двигались очень мало. Другие, в том числе императорская цихлида, сразу обследовали практически всю территорию. Команда Зальцбургера ранее секвенировала ДНК каждого вида, что позволило им коррелировать поведенческие вариации с вариациями в геномах рыб — подход, который исследователи также используют, чтобы точно определить различия ДНК, связанные с заболеваниями человека, такими как шизофрения и болезни сердца.

Обнаружились сотни потенциально важных генов, но одно основание ДНК выделялось. Он расположен рядом с геном под названием cacng5b (вспомогательная субъединица 5b кальциевого потенциалзависимого канала), белок которого влияет на функцию нервных клеток. Ген оказался очень активным в хабенуле, области мозга цихлид, которая регистрирует страх и вызывает движение. Когда исследователи изменили эту ключевую базу ДНК с помощью генного редактора CRISPR, они также увеличили исследовательское поведение рыб.

Сопоставив вариации этой ключевой основы с генеалогическим древом цихлид и других видов рыб, команда Зальцбургера пришла к выводу, что первые цихлиды, достигшие озера Танганьика, вероятно, стремились исследовать его. Лишь позже, после того как они колонизировали разнообразные среды обитания и превратились в множество видов, некоторые из них утратили эту исследовательскую тенденцию. «Это очень элегантное и тщательное исследование, которое простирается от экологии к поведению, молекулярным основам поведения и редактированию генов», — говорит Дастин Рубинштейн, поведенческий биолог-эволюционист из Колумбийского университета.

Связь между тенденцией исследовать и колонизировать новые среды обитания и быстрой эволюцией может помочь объяснить адаптивную радиацию у других видов, говорит Дэниел Моэн, биолог-эволюционист из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Это исследование подразумевает, что, возможно, некоторые группы сами создают возможности», — говорит он. Но как только организмы приспосабливаются к новой жизни, полагает он, «они могут стать адаптивными и вместо этого станут менее исследовательскими и сосредоточатся на том, что работает».