Ученые обнаружили новые подсказки о том, как эволюционировали крылья насекомых

Фото из открытых источников

Генетическое исследование 101 вида насекомых выявило новые сведения о том, как эволюционировали крылья насекомых и почему стрекозы и подёнки тесно связаны между собой.

Многие насекомые могут складывать крылья обратно на тело, но стрекозы и подёнки этого не умеют. Эта общая особенность заставляет этих двух насекомых выглядеть близкими родственниками, однако ученые давно расходятся во мнениях относительно того, действительно ли они таковыми являются.

Теперь генетическое исследование 101 вида насекомых показало, что это так. Подёнки, стрекозы и равнокрылые стрекозы образуют одну ветвь древа семейства насекомых, а все остальные крылатые насекомые, от жуков до комаров, принадлежат к отдельной ветви.

Авторы написали, что это подтверждает идею о том, что крылья насекомых возникли лишь однажды. Шию Ду и Чанфа Чжоу из Нанкинского педагогического университета в Китае совместно с двумя коллегами из того же города руководили исследованием. Ехао Ван и Чэньян Цай работают в Нанкинском институте геологии и палеонтологии.

Появление крылатых насекомых стало одним из самых масштабных событий в истории жизни на суше, пишут авторы. Полёт помог этим насекомым стать самой разнообразной группой наземных организмов на Земле, и примерно 310 миллионов лет назад крылатые насекомые уже доминировали в большинстве наземных экосистем.

Сегодня они бывают двух основных типов. Подёнки, стрекозы и равнокрылые стрекозы держат крылья прямо или вертикально. Другие насекомые, включая мух, пчел, жуков и тараканов, могут складывать крылья обратно на тело.

Взаимосвязи между этими группами имеют ключевое значение для понимания того, как зародился полет насекомых. Биологи предложили три варианта ответа: либо подёнки и стрекозы относятся к одной ветви семейства, либо одна из них ближе к насекомым-переносчикам насекомых.

Особенности строения тела рассматривались как подтверждение каждого ответа. В этом столетии генетические исследования все чаще обнаруживают подёнок и стрекоз в одной ветви генеалогического древа, но с недостаточной статистической поддержкой. Недавний повторный анализ имеющихся на тот момент генетических данных пришел к выводу, что происхождение полета насекомых остается неясным.

В предыдущих генетических исследованиях поденки были изучены недостаточно, поэтому команда секвенировала геномы 16 видов поденок. Полученные данные они объединили с имеющимися данными по 85 другим насекомым.

Исследователи сравнили 1367 генов, которые присутствуют почти у каждого насекомого, и построили 18 генеалогических деревьев, используя различные методы. Все, кроме одного, объединили подёнок и стрекоз в одну группу.

Когда команда подсчитала, какое расположение генов предпочитает тот или иной ген, оказалось, что 757 генов поддерживают пару подёнка-стрекоза, а 607 — её ближайшего конкурента. Таким образом, оба варианта имеют некоторую поддержку, но пара подёнка-стрекоза имеет большую поддержку.

Как пишут авторы, особенности строения тела также соответствуют полученным результатам. Подёнки и стрекозы имеют схожие детали основания крыльев, и у обоих видов второй сегмент каждой усики длиннее первого.

Проблема в том, что отдельные гены часто не согласуются друг с другом. Когда исследователи построили отдельное дерево для каждого из 1367 генов, только 21 из них совпал с общим ответом о подёнках и стрекозах.

Одна из причин — скорость. По всей видимости, самые ранние ветви крылатых насекомых разветвлялись очень быстро. В таких случаях различные варианты одного и того же гена могут неравномерно распространяться по новым ветвям, поэтому история одного гена может не совпадать с историей вида.

Другая причина заключается в том, что дерево, построенное на основе одного короткого гена, является лишь приблизительной оценкой. В компьютерных симуляциях, где правильный ответ был известен заранее, менее трети деревьев, построенных на основе одного гена, дали правильный ответ после учета обеих проблем.

Как пишут авторы, обе проблемы, вероятно, стали причиной разногласий в более ранних исследованиях. Та же самая слабость может объяснить наличие единственного дерева, не прошедшего проверку.

Это стало возможным благодаря методу, который строит дерево для каждого гена перед их объединением, и команда обнаружила, что этот метод очень чувствителен к ошибкам в деревьях, построенных на основе отдельных генов.

Поскольку подёнки и стрекозы находятся на одной ветви генеалогического древа, самое простое объяснение заключается в том, что крылья возникли однажды у общего предка всех крылатых насекомых. Исследование генома подёнки выявило основной набор генов крыльев, общих для всех крылатых насекомых, что соответствует этой картине.

После первого раскола две ветви, вероятно, изменили свою направленность по-разному. На складной ветке небольшая пластина у основания каждого крыла вращается, позволяя крылу складываться плоско поверх корпуса.

Сложенные крылья легче защитить. Авторы связали это уникальное изобретение с быстрым появлением новых видов насекомых со сложенными крыльями после каменноугольного периода, который закончился около 299 миллионов лет назад.

На другой ветви небольшие пластины у основания крыла были соединены и преобразованы в жесткое соединение. Авторы писали, что эта жесткость является особенностью конструкции, а не пережитком первых летчиков. Она стабилизирует поденки во время их планирования и поддерживает маневренный, хищнический полет стрекоз.

Команда также определила время образования этих ветвей, используя молекулярные часы, которые рассчитывают время по степени изменения генов. Они сравнили полученные данные с 14 точками в палеонтологической летописи.

По их оценкам, последний общий предок всех ныне живущих крылатых насекомых жил примерно от 424 до 399 миллионов лет назад, скорее всего, в начале девонского периода. Согласно данным Национальной парковой службы США, в начале девонского периода большинство наземных растений достигали высоты всего 2,5 сантиметра.

Подёнки и стрекозы отделились друг от друга позже, скорее всего, в позднем девоне. Ареалы распространения широки отчасти потому, что было найдено мало соответствующих ископаемых, и многие из них нельзя с уверенностью отнести к той или иной группе.

Собственные симуляции команды показывают, что имеющихся данных по-прежнему недостаточно. Результаты стали полностью стабильными только при наличии более 2000 генов, каждый из которых был достаточно длинным, чтобы кодировать более 500 аминокислот — строительных блоков белков.

Анализируемые гены были относительно короткими, в среднем около 330 аминокислот. Сотни генов по-прежнему отдают предпочтение конкурирующему расположению, и авторы написали, что этот конфликт нельзя игнорировать.

Некоторые из самых ранних крылатых насекомых также трудно классифицировать. Большинство представителей одной вымершей группы расправляли крылья, как стрекозы, и эту группу отнесли к одной из двух сторон раскола.

В качестве направления дальнейших исследований авторы призвали к разработке методов построения деревьев, которые лучше справляются с ошибками в деревьях, построенных на основе данных по отдельным генам.

Они написали, что новый взгляд на особенности строения тела, которые когда-то использовались в качестве опоры для конкурирующего дерева, с более широким сравнением между различными насекомыми, поможет прояснить, как эти признаки эволюционировали.