Маленькая рыбка, трехиглая колюшка, наглядно продемонстрировала биологам механизм эволюции по Дарвину – изменение под давлением естественного отбора. Ученым удалось на генетическом уровне увидеть, как организм приобретает новые признаки и приспосабливается к новой среде обитания.
Статью с результатами исследования колюшки в бассейне Белого моря группа российских ученых опубликовала в журнале PLOS Genetics.
Трехиглая колюшка получила свое название за три шипа на спине (в наших водоемах встречается еще девятииглая, с девятью шипами). Эта рыбка изначально живет в море и приспособлена к обитанию в соленой воде. Но волею случая некоторые популяции оказываются в пресноводных озерах, они там выживают, а значит, вырабатывают приспособления к обитанию в пресной воде. У них появляются некоторые изменения во внешнем облике и поведении. А в основе этих изменений лежат мутации генов, которые в новой среде рыбам не вредны, а полезны.
Колюшка оказалась прекрасной моделью, на которой удалось в реальном времени увидеть такие вещи, которые обычно изучают лишь теоретически, максимум на бактериях.
Биологи показали, какие гены и как изменяются, чтобы колюшка могла жить в пресной воде.
Ученые секвенировали (прочитали последовательность ДНК) геном рыбок, пойманных в различных местах обитания. «Всего было изучено 8 образцов популяций, в каждом образце от 8 до 20 рыбок, — рассказывает первый автор работы, аспирант факультета биоинформатики и биоинженерии МГУ Надежда Тереханова. — Работа над проектом началась в 2010 году на Беломорской биологической станции МГУ, а в 2012 году образцы ДНК колюшки были секвенированы». Среди них были две популяции морской колюшки, выловленные в разных местах, популяции колюшки, уже давно живущей в пресноводных озерах; популяция из озера, которое стало пресным в течение последних 30 лет. И, наконец, популяции из двух бывших карьеров, в которые колюшка была заселена человеком.
Сначала биологи сравнили геном морской и пресноводной колюшки и выявили более 18 тыс. генетических отличий. Эти отличия представляют собой одиночные замены нуклеотидов (однонуклеотидный полиморфизм, SNP).
«Это как игра в Lego, — говорит заведующий лабораторией молекулярной биологи ВНИРО и руководитель работы Николай Мюге. — Чтобы сделать из торгового корабля флибустьера, не надо перебирать все с нуля, а нужно заменить несколько кирпичиков — ну там, пушки поставить, мешки убрать, и у тебя получается пиратский корабль. И так же из морской колюшки можно сделать пресноводную. Берутся кирпичики, которые в «морском» наборе есть, просто не часто встречаются. Когда рыбы заселяют пресноводное озеро, то эти редкие кирпичики оказываются под отбором, соответственно они встречаются с каждым поколением все чаще и чаще, и популяция за сотню поколений становится полностью пресноводной. А все остальные кирпичики, весь геном, остался тем же самым».
Итак, ученые нашли генетические маркеры приспособления к пресной воде. Среди измененных были гены, отвечающие за осмотическую регуляцию, гены метаболизма, гены иммунной системы, гены, участвующие в развитии нервной системы, в поведении и др. Интересно, что эти маркеры группировались в «островки» на хромосомах, и таких островков ученые насчитали 19.
Затем в разных популяциях биологи изучили, с какой частотой встречаются эти приспособительные маркеры. Как объясняет Николай Мюге, в морских популяциях колюшки их частота мала, а в пресноводных популяциях после завершения процесса адаптации составляет 80% и выше. Популяция из Ершовского озера, которое отделилось от моря и только недавно опреснилось, претерпевает эволюцию буквально на глазах. Частота пресноводных маркеров за 30 лет поднялась в ней от 5 до 32%.
Ученым повезло с тем, что им удалось закончить эволюционный эксперимент, начатый в 1978 году биологом Валерием Зюгановым. Он в научных целях заселил два искусственных карьера морской и пресноводной колюшкой в равных количествах. Они скрестились, и пошла эволюция. В этих карьерах частота пресноводных маркеров за 33 года поднялась от изначальных 50 до 70%.
«Поскольку нам было известно с точностью до дня, когда именно в карьеры заселили колюшку, мы просчитали, как изменились частоты аллелей за это время, и смогли вычислить коэффициент отбора», — продолжает Николай Мюге. Этот коэффициент характеризует давление отбора, он показывает, насколько большее преимущество получают носители одних генетических вариаций перед носителями других вариаций.
Если признак нейтральный, коэффициент отбора равен нулю, а чем он больше, тем более полезен в данных условиях.
Естественный отбор — это механизм эволюции по Дарвину. «В популяции есть небольшое количество особей, хуже других приспособленных к данным условиям среды, но обладающих признаками, благоприятными в другой среде, — объясняет Надежда Тереханова. — Попадая же в новую среду, выживают особи, у которых присутствуют эти признаки, потому что они становятся полезными в данной среде. Они оставляют потомство, которое обладает этими полезными признаками, и, таким образом, признаки закрепляются в новой популяции».
Впервые биологам удалось на примере высшего организма — на рыбах — найти участки генома, участвующие в адаптации к новой среде обитания и оценить для каждого из них силу естественного отбора в течение 33 лет. Это большой шаг вперед в изучении механизмов эволюции животных и человека и, по мнению биоинформатика Михаила Гельфанда, «биологически очень красивая задача».
Читать далее →
Свежие комментарии