Эволюция использовала одни и те же гены на протяжении 120 миллионов лет

Фото из открытых источников

Ученые из Йоркского университета и Института Уэллкома Сангера провели исследование, которое выявило генетический механизм, общий для бабочек и мотыльков со времен динозавров.

Международная группа ученых подтвердила, что эволюция использовала один и тот же генетический репертуар на протяжении более 120 миллионов лет, что позволяет предположить, что закономерности изменений в жизни на Земле могут быть более предсказуемыми, чем считалось ранее. Результаты исследования, опубликованные в журнале PLoS Biology, основаны на анализе нескольких видов бабочек и мотыльков из тропических лесов Южной Америки — организмов, которые, несмотря на эволюционное расстояние, имеют почти идентичные цветовые узоры на крыльях, служащие предупреждением для хищников.

Группа ученых из Йоркского университета и Института Уэллкома Сэнгера в сотрудничестве с исследователями из различных стран Южной Америки поставила перед собой задачу идентифицировать гены, контролирующие эти модели мимикрии у семи отдаленно родственных линий чешуекрылых.

Выбор видов не был случайным: все они ядовиты и несъедобны для птиц, а их крылья имеют сходящиеся цвета и узоры, которые служат четким сигналом для хищников: определенный узор означает: «Не ешь меня, я ядовит». Как только птица научится распознавать этот сигнал, любой другой вид, имитирующий его, немедленно получит преимущество, снизив вероятность нападения.

Результаты исследования показывают, что, несмотря на то, что семь линий разошлись десятки миллионов лет назад, все они использовали одни и те же два гена — ivory и optix — для развития своих предупреждающих рисунков на крыльях. Конвергенция не ограничивается идентичностью генов; она также распространяется на регуляторный механизм, который их контролирует.

В процессе эволюции одни и те же гены использовались повторно на протяжении 120 миллионов лет.

Ученые обнаружили, что генетические изменения, ответственные за различия в цветовых узорах, происходят не в кодирующих последовательностях генов ivory и optix, а в аналогичных молекулярных «переключателях», определяющих, когда и где эти гены активируются во время развития крыла.

Наиболее удивительный случай был обнаружен у одного из видов дневных мотыльков. Это насекомое использует хромосомную инверсию — большой фрагмент ДНК, который переворачивается со своей первоначальной ориентации, — для достижения того же эффекта. Этот генетический трюк практически идентичен тому, который используется у изученного вида бабочек, хотя линии бабочек и мотыльков с мелового периода развивались по разным эволюционным путям.

Канчон Дасмахапатра, профессор кафедры биологии Йоркского университета и один из ведущих авторов исследования, объясняет, что конвергентная эволюция — явление, при котором неродственные виды независимо друг от друга развивают один и тот же признак, — широко распространена в древе жизни, но у исследователей редко появляется возможность так подробно изучить ее генетическую основу.

Как отмечает Дасмахапатра, изучив семь линий бабочек и одну дневную моль, мы демонстрируем, что эволюция может быть удивительно предсказуемой, и что бабочки и моли неоднократно использовали одни и те же генетические приемы для достижения схожих цветовых узоров еще со времен динозавров.

Соавтор исследования Джоана Мейер из Института Велкома Сангера добавила, что общая токсичность этих видов объясняет селективное давление, поддерживающее конвергентную эволюцию. Эти бабочки и мотылек, хотя и являются отдаленными родственниками, все ядовиты и несъедобны для птиц, которые пытаются их съесть. Они очень похожи, потому что, если птицы уже усвоили, что определенный цветовой узор означает «не ешьте нас, мы ядовиты», то другим видам выгодно демонстрировать те же предупреждающие цвета, сказала Мейер.

Исследователь подчеркнул, что исследование показывает, что эти предупреждающие признаки являются особенно оптимальными, поскольку, по-видимому, эволюционировать к одним и тем же моделям относительно легко благодаря высококонсервативной генетической основе, сохранявшейся на протяжении 120 миллионов лет.

Результаты исследований команды выходят за рамки конкретного случая южноамериканских чешуекрылых. Подтверждение того, что природа следует определенным путям и не так случайна, как предполагалось ранее, предоставляет биологам инструмент для прогнозирования того, как другие виды могут реагировать на окружающую среду или на глобальные явления, такие как изменение климата.

Зная, что определенные эволюционные пути более вероятны, поскольку они повторялись на протяжении десятков миллионов лет, ученые могут формулировать гипотезы о будущих адаптациях организмов.

Исследование, в котором приняли участие ученые из нескольких стран Южной Америки, где обитают анализируемые виды, также подчеркивает важность сохранения биоразнообразия таких регионов, как Амазония и связанные с ней экосистемы, — не только как хранилища видов, но и как живой лаборатории, где были записаны некоторые из самых устойчивых правил эволюции.

Повторное использование одних и тех же генетических переключателей в линиях, разделенных более чем ста миллионами лет, предполагает, что определенные морфологические решения глубоко заложены в архитектуре генома, и что эволюция, далекая от того, чтобы быть процессом, управляемым исключительно случайностью, действует на основе ограниченного набора молекулярных механизмов, доказавших свою эффективность на протяжении геологических эпох.