Генетический ускоритель: учёные нашли «супергены», ускоряющие эволюцию

В озере Малави, расположенном в Восточной Африке, скрывается одна из самых впечатляющих загадок биологии. В этом водоёме из одного общего предка возникло более восьмисот видов цихлид. И произошло это за время, несопоставимо более короткое, чем то, за которое разделились человек и шимпанзе. Самое удивительное — всё это многообразие сформировалось в пределах одного озера. Одни цихлиды стали хищниками, другие приспособились питаться водорослями, третьи — процеживать песок или поглощать планктон. Каждый вид занял свою экологическую нишу, обитая бок о бок с остальными.

Исследователи из Кембриджского университета и Антверпенского университета решили выяснить, как такая быстрая эволюция оказалась возможна. Их выводы опубликованы в журнале Science.

Перевёрнутые участки ДНК

Учёные проанализировали генетический материал более 1300 цихлид. Они искали механизмы, которые могли бы объяснить необычно высокую скорость эволюции. «Мы обнаружили, что у некоторых видов большие участки ДНК на пяти хромосомах перевёрнуты, — поясняет старший автор исследования Хеннес Свардал из Антверпенского университета. — Это мутация, называемая хромосомной инверсией».

В обычных условиях при размножении происходит рекомбинация — перемешивание генетического материала обоих родителей. Но внутри перевёрнутых участков этот процесс блокируется. В результате группы генов остаются сцепленными и передаются из поколения в поколение целиком. Это сохраняет комбинации признаков, уже доказавших свою полезность, позволяя эволюции двигаться более эффективно.

Первый автор исследования Мориц Блумер из Кембриджского университета проводит аналогию: «Это похоже на ящик с инструментами, где все самые полезные приспособления скреплены вместе, что сохраняет выигрышные генетические комбинации, помогающие рыбам адаптироваться к разным условиям».

Супергены в действии

Эти сцепленные кластеры генов называют «супергенами». У цихлид они, по-видимому, играют ключевую роль в формировании различий между видами. Даже если разные виды могут скрещиваться между собой, инверсии ограничивают перемешивание их ДНК, помогая сохранять отличительные черты. Это особенно важно в областях, где ареалы видов пересекаются, — например, на песчаных участках озера, где нет чётких физических границ, разделяющих места обитания.

Многие гены внутри этих супергенов влияют на признаки, важные для выживания и размножения: зрение, слух, поведение. Рыбы, обитающие на глубине до двухсот метров, должны справляться с низкой освещённостью, высоким давлением и другими источниками пищи по сравнению с теми, кто живёт у поверхности. Их супергены помогают сохранять специфические адаптации, необходимые для этих условий.

«Когда разные виды цихлид скрещиваются, целые инверсии могут передаваться между ними, принося с собой ключевые признаки выживания, такие как адаптации к конкретным условиям среды, что ускоряет эволюцию», — объясняет Блумер.

Широкое значение

Хромосомные инверсии не только сохраняют полезные признаки. Они также могут функционировать как половые хромосомы, влияя на то, разовьётся ли особь как самец или самка. Поскольку определение пола играет роль в формировании новых видов, это добавляет ещё один уровень к пониманию эволюции.

«Хотя наше исследование фокусировалось на цихлидах, хромосомные инверсии встречаются не только у них, — говорит соавтор исследования профессор Ричард Дурбин из Кембриджского университета. — Они также обнаружены у многих других животных, включая человека, и всё чаще рассматриваются как ключевой фактор эволюции и биоразнообразия».

Исследователи полагают, что эти открытия могут помочь ответить на давний вопрос о том, как жизнь так быстро разнообразится при подходящих условиях. «Мы изучаем процесс видообразования уже долгое время, — говорит Свардал. — Теперь, понимая, как эти супергены эволюционируют и распространяются, мы приближаемся к ответу на один из больших вопросов науки: как жизнь на Земле становится такой богатой и разнообразной».

То, что происходит в озере Малави, — не просто местное чудо. Это окно в механизм, который, возможно, действует повсеместно. Перевёрнутые участки ДНК, сохраняющие выигрышные комбинации генов, могут быть тем скрытым двигателем, который разгоняет эволюцию всякий раз, когда жизнь сталкивается с новыми возможностями. И теперь, когда учёные знают, куда смотреть, они найдут эти ускорители и в других видах, и в других экосистемах. Вопрос лишь в том, сколько ещё эволюционных секретов хранят перевёрнутые фрагменты внутри нашей собственной ДНК.