Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Марков Александр Владимирович

Стоит ли удивляться, что цихлиды стали излюбленным объектом для изучения адаптивной радиации — приспособления к разным экологическим нишам. «Великий эволюционный эксперимент Природы» — так именуют африканских цихлид исследователи (Barlow, 2000).

Изучение сводного массива данных по 46 африканским озерам позволило Кэтрин Вагнер с коллегами выявить факторы, значимые для эволюции цихлид (Wagner et al., 2012). Исследователи проделали кропотливую работу, сопоставив множество экологических, морфологических и поведенческих признаков с темпами эволюции цихлид в разных озерах. Темпы видообразования оценивались по числу эндемиков и оказались очень разными в разных озерах. По-видимому, различия определялись какой-то озерной спецификой. Но какой?

Оказалось, что на темпы видообразования влияет, во-первых, возраст озера (чем старше, тем вероятнее появление эндемиков), во-вторых, глубина озера (чем глубже, тем больше вероятность дивергенции), в-третьих, различия в окраске у самок и самцов: если самцы и самки одинаково окрашены (что обычно свидетельствует о слабом половом отборе), то видообразование менее вероятно.

Что ж, выводы ожидаемые: для эволюции нужно время; разнообразие экологических обстановок способствует видообразованию; половой отбор является мощным фактором видообразования. Такой превосходный объект, как цихлиды, позволяет увидеть много, много больше. Например, можно попытаться расшифровать взаимосвязи между изменениями генотипа и фенотипа. Или выяснить, как происходит параллельная эволюция в разных линиях.

Первая из этих задач — архиважная для понимания механизмов эволюции, но пока прочитано не так уж много геномов цихлид. Главное, что обнаруживается при сравнении геномов рыб из одного озера — это высокое сходство ДНК у внешне различных рыб. В своей эволюционной истории они разошлись так недавно, что нейтральные различия в геноме не успели накопиться. А для поддержания презиготической изоляции достаточно небольшого числа поддержанных отбором мутаций (отвечающих за признаки окраски, брачного поведения, избирательности). В основе расхождения цихлид по трофическим нишам (типам питания) лежали изменения всего нескольких ключевых генов-регуляторов, контролирующих развитие челюстей, причем эти гены находились под действием сильного разнонаправленного отбора (Albertson, Kocher, 2006). Еще один важный вывод: наибольшие различия в геноме относятся к регуляторным последовательностям, а не белок-кодирующим. Быстрая адаптация шла за счет тонкой настройки регуляции развития (Santos, Salzburger, 2012).

Вторая тема — генетические механизмы параллельной эволюции. Марко Коломбо и его коллеги из Базельского университета и Национального музея естественных наук в Мадриде проанализировали это явление на примере одного из характерных фенотипов цихлид — рыб с толстыми губами (Colombo et al., 2012). Выбранный признак — толстые губы — встречается не только у африканских цихлид, но и у центральноамериканских. Африка с Америкой потеряли связь около 100 млн лет назад, поэтому можно исключить и наследование признака от общего предка, и случайное расселение носителей признака, а вместо этого сосредоточиться на собственно параллельной эволюции.

Как выяснилось, толстые мясистые губы у цихлид вместе с некоторыми другими экстерьерными признаками возникали при переходе на специфическую диету — беспозвоночных с твердыми панцирями. Какие гены изменились, чтобы сформировать мясистые губы? В поисках ответа исследователи выделили РНК из тканей губ у толстогубых и тонкогубых цихлид и насчитали около 140 генов, по активности которых тонкогубые отличаются от толстогубых. Затем из этого набора кандидатов было придирчиво выбрано шесть генов. Нужно было, чтобы гены были связаны функционально с морфогенезом тканей губ и чтобы количество РНК у тонкогубых и толстогубых особей различалось контрастно. Всю процедуру сравнения проделали по отдельности для африканского озера Танганьика и центральноамериканского озера Манагуа. Три гена из шести отличали толстогубых рыб от тонкогубых в обеих выборках и удовлетворяли выбранным критериям. Эти гены отвечают за образование рыхлой соединительной и жировой ткани. А раз нашлись сходные генетические различия, то авторы закономерно заключили, что параллельное появление полезного признака произошло из-за изменения экспрессии именно этих сходных генов.

По-видимому, существует не так уж много способов сформировать конкретный признак, поэтому, если отбор начнет его поддерживать в двух разных линиях, это с большой вероятностью приведет к изменениям в работе одних и тех же генов. В целом сейчас известно больше примеров, иллюстрирующих принцип «сходный признак — сходные гены», чем «сходный признак — разные гены». С многочисленными примерами проявления обоих принципов мы уже познакомились. Складывается впечатление, что первый из принципов чаще реализуется в небольших компактных группах, второй — у организмов, представляющих удаленные ветви эволюционного дерева.

Эволюция цветного зрения и видообразование

Зрение у цихлид играет важную роль при выборе партнера: самцы каждого вида имеют свой особый наряд, а самки превосходно разбираются в нюансах их окраски. Зрение может быть специально настроено на спектральные характеристики брачного наряда: например, если самцы у данного вида синие, то и глаза наиболее чувствительны именно к синим оттенкам. Или, может быть, причинная связь направлена в обратную сторону: если глаза у данного вида лучше всего различают оттенки синего (например, потому, что это оптимально для поиска пропитания), то и самцам выгодно нарядиться в костюмчик этих оттенков, чтобы самки скорее их замечали. Так или иначе, то обстоятельство, что один и тот же признак — характеристики цветного зрения — тесно связан и с экологическими (пищевыми) адаптациями, и с выбором брачного партнера (а значит, и с презиготической изоляцией), открывает редкие возможности для видообразования (Terai et al., 2006).

Мы уже говорили об эволюции цветного зрения в главе 5. Доступный нам мир красок определяется разнообразием опсинов — светочувствительных белков-колбочек. Чтобы приобрести способность воспринимать новые оттенки, не нужно даже менять что-то в мозге — достаточно добавить в сетчатку новый опсин. На примере опсинов удобно изучать эволюцию, поскольку в данном случае имеет место однозначное соответствие между генами и фенотипическими признаками (особенностями цветового восприятия).

Исследователи из США, Австралии и Швейцарии изучили опсины у 54 видов цихлид из озера Малави и 11 видов из озера Виктория (Hofmann et al., 2009). У цихлид есть один ген «черно-белого» опсина-палочки (Rh1) и целых шесть классов «цветных» опсинов-колбочек: SWS1 (ультрафиолетовый), SWS2B (фиолетовый), SWS2A (синий), Rh2B (сине-зеленый), Rh2A (зеленый), LWS (красный). Наше унаследованное от обезьян трихроматическое зрение, вероятно, позволяет нам видеть лишь бледную тень того богатства красок, которое доступно цихлидам с их гексахроматическим зрением (впрочем, новейшее исследование по различению цветов у гексахроматических раков-богомолов не подтверждает этой «радужной» гипотезы (Thoen et al., 2014)). У цихлид сетчатка устроена сложнее, чем у млекопитающих. Колбочки делятся на «простые» и «двойные». В простых колбочках экспрессируются коротковолновые гены SWS, в двойных — длинноволновые Rh2 и LWS.

Как выяснилось, разные виды цихлид, в том числе и близкородственные, сильно различаются по активности шести опсиновых генов. В озере Малави, где вода прозрачная, цихлиды используют все шесть генов, хотя и в разной степени. Малавийские виды распадаются на три группы, сетчатка которых наиболее чувствительна к коротким, средним и длинным световым волнам. В озере Виктория, где вода мутная, цихлиды почти не используют гены ультрафиолетового и сине-зеленого опсинов. Их сетчатка наиболее чувствительна к длинноволновому свету, который лучше проходит сквозь мутную воду. Напомним, что ультрафиолетовый опсин является самым коротковолновым из опсинов простых колбочек, а сине-зеленый — самый коротковолновый из опсинов двойных колбочек.

Эти различия между озерами, по-видимому, отражаются и на окраске рыб: у рыб из Малави чаще встречаются синие и фиолетовые тона, у рыб из Виктории — красные и желтые.

Авторы сопоставили активность опсиновых генов с экологическими характеристиками рыб, а именно с питанием и типом местообитания. Оказалось, что только у одного гена (ультрафиолетового) активность тесно связана с типом питания. Среди рыб озера Малави наибольшая активность ультрафиолетового гена характерна для видов, питающихся планктоном или водорослями, наименьшая — для хищников. Экспериментально было показано, что способность воспринимать свет в ультрафиолетовом диапазоне повышает эффективность питания у рыб-планктофагов. Среди цихлид озера Виктория тоже встречаются и планктофаги, и фитофаги, и хищники, однако ультрафиолетовый ген ни у кого из них не работает — ни у планктофагов, ни у хищников, потому что мутная вода Виктории непрозрачна для ультрафиолета.