Исследование медуз показало, что эволюция более предсказуемая, чем ожидалось

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что у неродственных медуз развились идентичные генетические мутации, но, что удивительно, эти совпадающие изменения ДНК не привели к совпадению физических признаков. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биологи всегда исходили из предположения, что крайне редко два разных вида независимо друг от друга развивают совершенно одинаковые генетические изменения после миллионов лет разделения. Однако новое исследование ДНК древних медуз показывает, что эволюция повторяется гораздо чаще, чем когда-либо предполагали ученые.

В 86 видах линий, разделившихся более 600 миллионов лет назад, неоднократно происходил обмен одним и тем же строительным блоком в одном и том же месте одного и того же белка. Это случалось гораздо чаще, чем можно было бы предположить, исходя из чистой случайности. Однако загвоздка в том, чем эти общие изменения не являются. В основном они никак не связаны с видимыми общими чертами животных, такими как глаза.

Руководителем работы был Кори Бергер, научный сотрудник лаборатории Тодда Окли в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. В исследовании также приняли участие его коллеги из Канзасского университета, Техасского университета A&M и Университета Небраски. Все представленные данные были получены путем сравнения последовательностей генов разных видов; ни один признак не был протестирован в лабораторных условиях.

«Мы изучаем молекулярную эволюцию — в какой степени схожие генетические изменения происходят в разных организмах, — сказал Бергер. — И об этом мы, в частности, мало знаем».

Группа, выбранная командой и названная Medusozoa, включает в себя настоящих медуз, кубомедуз и гидроидов — небольших ветвящихся животных, родственных им. Датировка, проведенная командой на основе 17 ископаемых, указывает на происхождение этой группы примерно 685 миллионов лет назад.

Прежде чем сравнивать гены, команде нужно было выяснить, кто с кем состоит в родстве и когда произошло разделение. Они построили эволюционное древо из 621 вида, используя в качестве отправной точки полные наборы генов 98 из них, 22 из которых были секвенированы для этого исследования, а затем проследили три признака по этому древу.

Результаты показывают, как часто эволюция повторяется на уровне тела, — закономерность, которую биологи называют конвергентной эволюцией. Глаза , например, возникали по меньшей мере девять раз.

Стадия свободно плавающей медузы, колоколообразной взрослой особи, которую большинство людей себе представляют, исчезала 41 раз. Колонии переходили от коркообразной к прямостоячей ветвящейся форме 32 раза.

«Возможно, дело просто в том, что организмы, имеющие фенотипическую конвергенцию и внешне похожие друг на друга, демонстрируют конвергентные молекулярные изменения», — сказал Бергер, описывая идею, которую команда решила проверить.

Команда сравнила кодирующие белки гены 86 видов, по два за раз. Это означало, что было сравнено 3570 пар генов из 9194 семейств. Для каждой пары генов он искал участки, где обе линии независимо друг от друга изменили одну и ту же аминокислоту, один из строительных блоков белка, на одну и ту же новую.

«Затем мы изучили закономерности изменений в этих генах. Если одно и то же конкретное изменение произошло у отдаленно родственных видов, то мы называем это конвергенцией», — сказал Окли.

Команда обнаружила 426 322 таких совпадения, что составляет менее одной десятой процента от всех протестированных пар ветвей, и они встречались в 8991 из 9194 семейств генов.

В этих местах новая аминокислота также имела тенденцию отличаться по своему химическому составу от старой сильнее, чем в других измененных участках тех же белков. Команда интерпретирует эту закономерность как естественный отбор, а не как случайность.

С увеличением времени, прошедшего с момента разделения двух видов, совпадения действительно становились всё реже. Но это снижение было постепенным, и даже пары, разделённые более чем 600 миллионами лет, претерпели больше изменений, чем предсказывала модель чистой случайности.

Если в процессе эволюции гены используются повторно для формирования одного и того же признака, то виды, у которых оба вида развили глаза или оба вида утратили стадию медузы, должны иметь больше общих генетических изменений, чем другие пары. Но этого не произошло. Пары с общим признаком статистически не отличались от пар без него.

Гены, отвечающие за формирование глаз, действительно встречались немного чаще среди пар с глазами. Но те же самые гены подвергались аналогичному отбору и у видов, у которых глаз вообще не было.

Отличительной чертой конвергентных генов была их функция. Гены, отвечающие за взаимодействие с внешним миром, включая энергетический обмен, иммунную защиту и расщепление чужеродных веществ, претерпели наибольшее количество повторных изменений. Гены, отвечающие за внутренние процессы клетки, такие как деление клеток, претерпели наименьшее количество изменений.

«Уровень генетического сходства указывает на то, что на генетическом уровне эволюция может быть более повторяемой и, следовательно, более предсказуемой, чем мы ожидали», — сказал Окли. «Но это также означает, что нам еще предстоит многое узнать о том, как функционируют гены и как это проявляется в масштабах всего организма».

Исследовательская группа учитывала только один тип генетических изменений — замену одной аминокислоты на другую. Изменения в ДНК, которые включают и выключают гены и могут иметь большее значение для формы тела, не были включены в анализ. Кроме того, гены, подверженные воздействию окружающей среды, могут просто эволюционировать быстрее, что даст им больше шансов адаптироваться.

Более существенный разрыв является причиной. Для большинства общих генетических изменений фактор, который их вызвал в обеих линиях, неизвестен. В качестве примера раскрытого дела команда привела насос, обнаруженный в клеточных мембранах. Он эволюционировал независимо у амфибий, рептилий, млекопитающих и насекомых, чтобы противостоять одним и тем же сердечным токсинам, вырабатываемым жабами и растениями. В этом случае общая диета объясняет наличие общего гена.

Данные по медузам указывают на то, что подобных случаев существует множество, и каждый из них имеет свое объяснение. Чтобы их обнаружить, необходимо измерить давление, которому подвергаются эти животные в море, с той же тщательностью, с какой команда исследователей изучила их гены. Это, как написали авторы, и есть следующая задача.