Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Марков Александр Владимирович

В озере Виктория, как выяснилось, спектр активности опсиновых генов связан с мутностью воды в конкретных местообитаниях, а также с глубиной, на которой живут представители данного вида. Чем мутнее вода и чем глубже обитают рыбы, тем слабее у них работает фиолетовый опсиновый ген, самый коротковолновый после ультрафиолетового.

Авторы также изучили межвидовые различия в аминокислотных последовательностях опсинов, влияющие на их чувствительность к волнам разной длины. В озере Малави самым вариабельным оказался ультрафиолетовый опсин, в Виктории — красный. Выявленные различия меняют оптимум восприятия красного опсина на 5–15 нм. У видов, обитающих на больших глубинах, где доступная цветовая гамма сильно смещена в длинноволновую сторону, туда же смещена и чувствительность красного опсина.

Таким образом, эволюция цветового восприятия у цихлид шла двумя путями: за счет изменения активности опсиновых генов и за счет изменения их кодирующих участков. Первым путем достигалась тонкая подстройка восприятия под особенности среды и образа жизни. Второй способ помогал менять границы воспринимаемого спектра — именно поэтому изменение аминокислотных последовательностей происходило преимущественно у двух «крайних» опсинов, ультрафиолетового и красного. Ученые рассчитали, учитывая различные экологические характеристики озер, что в прозрачном озере Малави на эволюцию цветового зрения сильнее влиял тип питания, в Виктории — спектральные характеристики доступного рыбам света, зависящие от мутности воды и глубины.

Столь высокое разнообразие цветового восприятия в пределах одной группы родственных видов — случай уникальный, не имеющий аналогов у позвоночных. Самое удивительное, что все эти различия развились быстро: озеру Малави 1–2 млн лет, Виктории — не более 120 тыс. лет. Обнаруженные различия в активности опсиновых генов смещают оптимум цветового восприятия очень сильно — до 100 нм. Разные виды цихлид действительно видят мир в разных красках. Это влияет как на их поведение, так и на эволюцию других признаков — прежде всего их собственной окраски. Африканские цихлиды — одна из самых разнообразных по окраске групп пресноводных рыб (неслучайно их так любят аквариумисты). Теперь мы узнали, что и цветовое зрение у них тоже удивительно разнообразно.

Многие факты говорят о том, что видообразование у цихлид в озере Виктория происходит под действием так называемого сенсорного смещения или сенсорного драйва (Seehausen et al., 2008). Так называют влияние особенностей органов чувств на направленность полового отбора. Например, если данный вид лучше всего видит красные объекты, самцам выгодно быть красными, чтобы привлекать внимание самок. Им выгодно также красоваться перед самками в таких местах (на такой глубине), где их краснота смотрится наиболее эффектно, более заметна для самок. Если интенсивность окраски у самца отражает его здоровье и качество генов, т. е. является индикатором приспособленности (а это обычно так и бывает), то самкам выгодно научиться еще лучше различать оттенки красного. Самки с наилучшей способностью различать эти оттенки выберут лучших самцов и оставят больше потомства, причем их сыновья унаследуют «удачный» брачный наряд от отца, а дочери — пристрастие к таким нарядам от матери.

В результате эволюция под действием полового отбора может приобрести черты автокаталитического процесса: рост интенсивности окраски будет стимулировать рост избирательности самок, и наоборот. Это может завести вид очень далеко по пути развития яркого наряда и изощренной системы цветового восприятия. Вряд ли можно сомневаться, что практически все наблюдаемое у африканских цихлид буйство красок возникло под действием полового отбора, ведь для выживания вся эта пестрота не имеет существенного значения.

Эволюционный стартап у бабочек-подражателей

Коллекция хорошо изученных случаев симпатрического видообразования быстро пополняется. Разные пары расходящихся симпатрических видов и даже целые их «букеты» застигнуты исследователями на разных стадиях расхождения. Наименее изученными остаются начальные этапы этого процесса, когда популяция еще остается единой, но внутри нее уже зарождается презиготическая изоляция между особями с разными признаками.

Как показало исследование, выполненное сотрудниками Гарвардского, Гавайского и Техасского университетов, именно такая ситуация наблюдается в наши дни у бабочек Helicomus cydno alithea, обитающих в западном Эквадоре (Chamberlain et al., 2009). Бабочки рода Heliconius защищены от хищников, во-первых, своей ядовитостью, во-вторых, яркой предупреждающей окраской. При этом у них широко распространена так называемая мюллеровская мимикрия — маскировка одних ядовитых видов под другие (другой вид мимикрии — бейтсовская, при которой неядовитые виды маскируются под ядовитые). Мюллеровская мимикрия ускоряет обучение хищников: «обжегшись» на одной из ядовитых бабочек, хищник уже не будет испытывать судьбу, нападая на другие похожие виды. На бабочках Heliconius было показано (в том числе при помощи экспериментов по переселению бабочек из одних частей ареала в другие), что приспособленность бабочек-подражателей напрямую зависит от частоты встречаемости бабочек-моделей: из всех подражателей самая высокая приспособленность у тех, кто маскируется под наиболее массовый вид «моделей» в данной местности.

Ранее были изучены две пары подражающих друг другу видов Heliconius cydno galanthus / H. sapho и H. pachinus / H. hewitsoni, обитающие по разные стороны водораздела в Коста-Рике. То есть с каждой стороны водораздела поселились по два вида, по одной паре «модель — подражатель». Для первой пары характерны белые пятна на крыльях, для второй — желтые. Генетический анализ показал, что виды-подражатели состоят в более близком родстве друг с другом, чем со своими моделями. В лабораторных условиях два вида подражателей способны скрещиваться и давать плодовитое гибридное потомство, хотя при наличии выбора они всегда предпочитают партнеров своего вида. Межвидовые скрещивания позволили установить, что цвет пятен на крыльях (белый или желтый) определяется двумя аллелями одного гена, причем белый аллель — доминантный, а желтый — рецессивный. Наследование происходит строго «по Менделю»: при скрещивании белых H. cydno galanthus с желтыми H. pachinus первое поколение гибридов оказывается белым, а во втором наблюдается расщепление 3:1 (три белых бабочки на одну желтую). Что это за ген, пока не установлено. Известно только его положение на хромосоме, а сам ген фигурирует в литературе под условным названием «локус К».

Виды-подражатели H. cydno galanthus и H. pachinus — это «хорошо разошедшиеся» виды, в природе не скрещивающиеся и даже не симпатрические: они обитают в разных районах Коста-Рики. Генетический анализ подтвердил, что их генофонды давно существуют в изоляции друг от друга.

Иная картина наблюдается в Эквадоре, где тоже есть два вида-модели — белый и желтый — и два подражателя. Однако в данном случае оба подражателя относятся к одному и тому же виду (формально — даже к одному подвиду): H. cydno alithea. Обе модели и вид-подражатель, подразделенный на желтую и белую формы, проживают на одной и той же территории.

Скрещивая бабочек между собой, исследователи убедились, что наследование признака «желтые или белые пятна на крыльях» у H. cydno alithea происходит так же, как у видов из Коста-Рики, и отвечает за него тот же локус К. Затем авторы изучили предпочтения белых и желтых самцов H. cydno alithea при выборе самок. Оказалось, что желтые самцы предпочитают желтых самок. Белые самцы оказались неизбирательными: они активно ухаживают и за белыми, и за желтыми самками.

Сравнение полиморфных участков генома у белых и желтых бабочек показало, что предпочтение себе подобных, характерное для желтых самцов, не в состоянии заметно ослабить генетический обмен между формами с разным цветом крыльев. Несмотря на избирательность желтых самцов, желтые и белые бабочки H. cydno alithea фактически образуют единую популяцию. Внутри нее лишь едва наметилось разделение на две репродуктивно изолированные части. Эти части уже дивергировали экологически, т. е. разошлись по нишам (в данном случае — по «подражательным» нишам: они подражают разным видам-моделям). Наметилось и репродуктивное разделение, но оно проявляется пока только в предпочтениях самцов одной из двух форм. Это разделение в будущем вполне может стать (а может и не стать, конечно) основой для полного разделения популяции на два вида. Но одних лишь предпочтений желтых самцов для этого мало. Популяция сможет разделиться на два вида, только если появятся дополнительные факторы, способствующие такому разделению.