Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Если приспособленность популяций к своим средам складывалась только за счет суммирования эффектов отдельных полезных мутаций, а эпистаза — влияния измененных генов друг на друга — не было, то приспособленность гибридов разного типа должна быть примерно одинаковой. Например, в соленой среде гибриды С/Г и С/П должны демонстрировать одинаковую приспособленность. Это, однако, оказалось не так. Гибриды С/П в соленой среде чувствовали себя лучше, чем С/Г (хотя и хуже, чем чистая линия С). То же самое справедливо и для «голодной» среды: здесь гибриды Г/П оказались более приспособленными, чем С/Г.
Этот результат можно объяснить двояко. Либо адаптации к одной из двух неблагоприятных сред сами по себе снижают приспособленность к альтернативной среде, либо имеет место эпистаз, т. е. гены, ответственные за адаптацию к разным средам, мешают друг другу работать. В первом случае дрожжи из линии С должны расти в голодной среде хуже, чем П, а в соленой среде П должны расти лучше, чем Г. Это не подтвердилось. Следовательно, главную роль в снижении приспособленности гибридов С/Г играет эпистаз.
Но это уже детали. Главный же результат в том, что показана возможность быстрого формирования постзиготической изоляции под действием разнонаправленного отбора. Как мы помним, появление такой изоляции — ключевой этап видообразования.
—————
Гибридизация не всегда вредна
У американских жаб-лопатоногов виды отделены друг от друга зыбкой гранью. Многие виды нет-нет да и скрещиваются, производя гибридное потомство. Это характерно не только для амфибий: та же картина наблюдается во многих группах млекопитающих, рыб, насекомых. Представление о виде как о совокупности особей, полностью изолированной от всех остальных подобных совокупностей, — абстракция вроде «идеального газа».
Все же конспецифичные (внутривидовые) скрещивания обычно происходят гораздо чаще, чем гетероспецифичные (межвидовые), а потомство от них оказывается более жизнеспособным и плодовитым. Это справедливо и для американских лопатоногов Spea bombifrons и S. multiplicata. Ареалы этих видов частично перекрываются, и в зоне совместного обитания иногда происходит гибридизация. Гибридные жабы отличаются от чистокровных пониженной плодовитостью. Поэтому жабам в общем случае невыгодно скрещиваться с чужаками. Как часто бывает в подобной ситуации, жабы выработали специальные средства взаимного узнавания, позволяющие отличить своих от чужих. Главным из этих средств является брачная песня самца. Характерно, что в тех районах, где живет только один из видов жаб, самцы поют почти одинаково. Однако в зоне совместного проживания их песни заметно различаются [78] .
Было замечено, что в маленьких водоемах гибридизация происходит чаще, чем в больших. Карин Пфенниг из Университета Северной Каролины предположила, что это может быть выгодно жабам S. bombifrons, поскольку головастики у этого вида развиваются дольше. Чем меньше лужа, тем выше риск, что она пересохнет до того, как головастики успеют завершить развитие.
Для начала Пфенниг убедилась, что гибридные головастики развиваются быстрее, чем чистокровное потомство S. bombifrons. Следовательно, если размножение происходит в маленькой луже, для самок этого вида может быть выгодно спариваться с «чужими» самцами. Потомство получится менее плодовитым, но это все-таки лучше, чем смерть от высыхания.
Затем были изучены брачные предпочтения. Жаб сажали в искусственные водоемы двух типов — мелкие (глубиной 6 см) и глубокие (30 см). На противоположных сторонах водоема устанавливались два динамика. Из одного доносилась песня самца Spea bombifrons, из другого — брачный призыв самца S. multiplicata. Самку сажали на островок в центре бассейна и первые 30 минут держали под стеклянным колпаком, давая привыкнуть к обстановке. Динамики все это время работали. Потом колпак снимали, и самка получала возможность свободно плавать по бассейну. Если она приближалась на расстояние корпуса к одному из динамиков, считалось, что она «сделала свой выбор».
В глубоком водоеме самки S. bombifrons уверенно выбирали песню «своего» самца. В мелком водоеме те же самые самки вели себя по-другому: теперь они с одинаковой частотой откликались как на «свой», так и на «чужой» призыв. Самки S. multiplicata, напротив, всегда выбирали кваканье своего самца независимо от глубины водоема. Что и понятно: головастики этого вида и так развиваются быстро, поэтому скрещивание с чужаками не может принести их потомству ничего, кроме вреда.
Кроме того, между самками S. bombifrons были выявлены индивидуальные различия. Некоторые самки почти всегда выбирали «своих», другие предпочитали «чужих», а третьи радикально меняли свои предпочтения при переходе из глубокого водоема в мелкий.
Пфенниг предположила, что склонность менять предпочтения в зависимости от глубины выгоднее тем самкам, которые находятся в худшем физическом состоянии. Потомство тощих самок менее жизнеспособно, развитие головастиков занимает больше времени, и они с большей вероятностью не доживают до метаморфоза. Следовательно, именно тощие самки особенно заинтересованы в том, чтобы в мелкой луже скреститься с чужим самцом. Но мог ли естественный отбор «почувствовать» это и внести соответствующие дополнения алгоритм выбора партнера? По-видимому, мог. Как выяснилось, худосочность самки действительно повышает вероятность того, что она изменит свои брачные предпочтения при переходе из глубокого водоема в мелкий. Иными словами, жабы, изменившие свои предпочтения в мелкой луже в пользу чужаков, оказались в среднем более худосочными, чем те, которые «остались при своем мнении», т. е. продолжали выбирать своих (Pfennig, 2007).
Карин Пфенниг установила несколько важных фактов. Во-первых, она показала, что межвидовая гибридизация может быть полезной, и тогда у животных могут выработаться адаптации, позволяющие им целенаправленно выбирать в качестве партнеров представителей не своего, а чужого вида. Это заставляет еще раз задуматься над смыслом этого загадочного природного явления — «биологического вида».
Во-вторых, удалось продемонстрировать, что одно и то же животное может менять свои брачные предпочтения в зависимости от условий, причем в одних ситуациях предпочтение отдается своим, а в других — чужим. Алгоритм выбора брачного партнера может быть сложным, и в него могут входить разнообразные операторы условного перехода («если… то…»).
В-третьих, выяснилось, что на выбор своего или чужого самца влияют не только внешние условия, но и физическое состояние самки. Это значит, что самке приходится проводить некую «самооценку» и учитывать ее результаты в ходе принятия решения. О том, к каким эволюционным последствиям могут приводить подобные алгоритмы выбора, мы поговорим чуть позже (см. раздел «Как отличить своих от чужих»).
—————
78
Типичный результат действия механизма «усиления», о котором пойдет речь ниже.
В поисках генов видообразования
Итак, постзиготическая изоляция возникает в результате фиксации несовместимых (конфликтующих) аллелей в разобщенных популяциях. Что же это за гены, изменения которых порождают такие конфликты? В принципе при скрещивании представителей двух давно разошедшихся популяций конфликтовать может что угодно с чем угодно. Но все-таки интересно было бы найти конкретные гены, ответственные за несовместимость. Для таких генов придумано броское название — «гены видообразования». Ясно, что в разных парах видов конфликтующие гены, скорее всего, будут разными. Несмотря на их несомненное присутствие у разошедшихся видов, идентифицировать их пока удается нечасто. Мы расскажем о нескольких таких удачных примерах.
Несколько генов видообразования нашли у дрозофил (Orr et al., 2004). Как правило, это гены, так или иначе связанные с размножением. Например, один из них, OdsH, вызывает гибридную стерильность (бесплодие) у самцов, полученных от скрещивания Drosophila simulans и D. mauritiana — видов, разделившихся 0,3–1,0 млн лет назад. Функция гена состоит в регуляции экспрессии ряда других генов, участвующих в сперматогенезе. Многие гены видообразования несут следы действия положительного отбора. По-видимому, это значит, что постзиготическая несовместимость часто развивается под действием разнонаправленного отбора (как в эксперименте с дрожжами), а не просто за счет пассивного накопления нейтральных различий.
Что касается млекопитающих, то у них пока описан только один такой ген — Prdm9, ответственный за стерильность мужского потомства при скрещивании двух видов (или подвидов, случай спорный) домовых мышей: Mus musculus и Mus domesticus. То, что где-то на 17-й мышиной хромосоме есть «ген гибридной стерильности», конфликтующий с несколькими другими генами при межвидовых скрещиваниях, было известно давно, но установить его идентичность удалось лишь в 2008 году. С тех пор ген Prdm9 активно изучают. При этом выяснилось много интригующих фактов. В частности, обнаружилась связь Prdm9 со стерильностью не только у гибридных мышей, но и у других животных. Например, у людей мутации этого гена приводят к мужскому бесплодию.
Функцию Prdm9 установили лишь в 2012 году. Оказалось, что ген отвечает за формирование «горячих точек рекомбинации» — мест, где хромосомы чаще всего рвутся, чтобы обменяться участками во время мейоза. В норме у мышей разрывы хромосом при подготовке к кроссинговеру происходят в нефункциональных частях генома, но, если работа Prdm9 нарушена, хромосомы начинают рваться где попало, в том числе в регуляторных областях жизненно важных генов. Мыши с такими генетическими дефектами бесплодны, потому что у них не образуются жизнеспособные половые клетки (Brick et al., 2012).
У растений выявлено около 40 генов видообразования. Как правило, это тоже гены, связанные с размножением — с созреванием пыльцы, ускорением или отсрочкой цветения, механизмами «узнавания» подходящей пыльцы тканями пестика (к этим механизмам относится и самонесовместимость, о которой мы говорили в главе 3). У растений признаки действия положительного отбора на гены видообразования тоже есть, но не такие четкие, как у дрозофил. Возможно, случайные процессы играют в видообразовании у растений более важную роль (Rieseberg, Blackman, 2010).
Один из интересных случаев связан с домашним рисом (см. главу 2). Согласно данным археологии и генетики, азиатский культурный рис Oryza sativa был одомашнен на юге Китая 9 тыс. лет назад (Molina et al., 2011). С тех пор было выведено много сортов, подразделяющихся на две большие группы: O. s. indica (длиннозерные сорта) и O. s. japonica (круглозерные).
«Индийские» и «японские» сорта разделились не менее 3–4 тыс. лет назад и с тех пор эволюционировали аллопатрически, т. е. выращивались в разных районах, почти не скрещиваясь друг с другом. За это время в их генофондах успели накопиться взаимно несовместимые мутации, что привело к частичной репродуктивной изоляции, а именно к снижению плодовитости гибридов indica и japonica. Это можно рассматривать как наметившееся разделение азиатского культурного риса на два вида.
Несовместимость indica и japonica определяется несколькими локусами, структура и функция которых активно изучаются. Китайским генетикам удалось в общих чертах расшифровать принцип действия одного из «локусов несовместимости» S5 (Yang et al., 2012). Локус включает пять белок-кодирующих генов: ORF1, ORF2, ORF3, ORF4 и ORF5 (от open reading frame, открытая рамка считывания — так по традиции обозначают плохоизученные гены с неизвестной функцией). У локуса S5 есть три варианта (аллеля), один из которых (S5i) характерен для большинства сортов indica, другой (S5j) — для japonica, а третий (S5n) — для некоторых сортов, которые дают нормальное плодовитое потомство при скрещивании как с индийскими, так и с японскими сортами. Было показано, что, если вставить в геном japonica ген ORF5 indica, получаются растения с пониженной плодовитостью. Если то же самое проделать с генами ORF3 и ORF4, плодовитость растений не снижается.