Учёные открыли сходные эволюционные изменения у многих видов насекомых

Эволюцию часто представляют, как серию случайных изменений. Некоторые из них дают организмам определённые преимущества перед сородичами и закрепляются, появляясь из поколения в поколение. Другие со временем отсеиваются как ненужные.

Но новое исследование американских учёных, опубликованное в журнале Science, позволяет взглянуть на этот процесс с неожиданной стороны. Оно показывает, что эволюционное развитие может быть не серией полезных случайностей, а простым генетическим ответом на воздействие окружающей среды, которое повторяется у многих видов, попавших в сходные условия.

Исследователи из университета Принстона (Princeton University) изучили ДНК 29 неродственных видов насекомых. При этом у 14 из них были обнаружены практически идентичные генетические особенности, обусловленные одним общим обстоятельством – все они питаются растениями, вырабатывающими так называемые карденолиды. Этот класс токсинов, вызывающих остановку сердца и паралич нервной системы, используют для защиты такие растения, как ваточник, наперстянка и олеандр.

"У незащищённых насекомых карденолиды подавляют выработку белка под названием натриево-калиевая аденозинтрифосфатаза (ATPα), который участвует в транспорте ионов и играет важную роль в процессе мышечных сокращений, работе нервной системы и ряде клеточных явлений", — объясняет руководитель исследований Питер Андольфатто (Peter Andolfatto).

При этом целый ряд насекомых, включающий бабочек, жуков и тлю, нашёл способ обойти смертельную оборону растений. Все они имеют модифицированный белок ATPα, который обеспечивает работу механизма натриево-калиевого насоса. Изменения позволяют поддерживать баланс двух элементов и противостоять действию токсина, вызывающего в неподготовленных клетках закачивание извне избыточного калия и чрезмерное выведение натрия в обратном направлении.

Андольфатто и его коллеги нашли в ДНК каждого исследованного вида участок, ответственный за кодирование натриево-калиевой аденозинтрифосфатазы. Оказалось, что у многих из них эти гены содержали одинаковые мутации. И это несмотря на то, что большинство изученных насекомых разделяют 300 миллионов лет эволюции. Параллельная эволюция у такого количества видов практически исключает вероятность того, что одинаковые приспособления развились случайно. 

Учёные предполагают, что для преодоления воздействия окружающей среды у организмов существует ограниченный набор молекулярных механизмов, который существа могут использовать в процессе эволюционного развития. 

Таким образом, изучив генетические модификации нескольких видов, можно предсказать "способы" приспособления многих других организмов, обитающих в схожих условиях.
Исследователи установили, что для появления устойчивости к карденолидам, генам нужно пройти 33 мутации. В то время как у насекомых, которые не питаются ваточником и схожими с ним растениями, аналогичные гены содержат не более одной мутации.

Примечательно, что у отдельных видов учёными были найдены дублирующие гены, которые позволяют содержать в организме, как обычный белок, так и модифицированный. Как правило, "усовершенствованная версия" натриево-калиевого насоса у таких насекомых располагалась в тканях кишечника, где воздействие токсина максимально.

"Дупликация генов является элегантным решением проблемы адаптации к изменениям окружающей среды, — говорит Андольфатто. – У таких видов организм может свободно экспериментировать с одной копией при сохранении другой, избегая риска, возникающего в случае, если новая версия белка не будет хорошо выполнять свою работу".

Отметим, что это далеко не первый случай, когда учёным удалось установить параллельную эволюцию на уровне белка. Другим примером служит белок престин (prestin), который находится во внутреннем ухе у всех млекопитающих. Независимо друг от друга летучие мыши и киты приобрели одинаковые модификации этого белка, что позволило им освоить эхолокацию и ультразвуковой слух.