Механизм возникновения биоразнообразия
Новое исследование эволюционных биологов из Университета Массачусетса в Амхерсте показывает, как мутация в одном гене в процессе развития может привести к различным последствиям не только в форме черепа и челюстей животных, но и к разным стратегиям питания для освоения различных экологических ниш.
Исследование на модельных рыбах цихлидах, проведённое аспирантом Инаном Ху и его научным руководителем Крейгом Альбертсоном, является одним из первых, изучающих, как единичное генетическое изменение может влиять как на развитие признака, так и на его функцию. Результаты опубликованы в раннем онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences.
До сих пор область эволюционной биологии развития (evo-devo) в основном фокусировалась на связи генетических изменений с эволюцией анатомической формы (морфологии), но была менее успешна в объяснении того, как эти анатомические изменения влияют на функционирование организма в его среде. Это оставляло пробел в понимании того, что позволяет видам адаптироваться к новым условиям.
Для этой работы Ху и Альбертсон объединили традиционное генетическое картирование и экспериментальную эмбриологию, чтобы показать, как изменения в гене ptch1 (часть сигнального пути hedgehog) изменяют развитие черепа и челюсти у африканских цихлид, приводя к выраженным изменениям формы у взрослых особей. Они также смоделировали черепа этих рыб, чтобы показать, как это генетическое разнообразие и его анатомические последствия предсказывают различия в механике питания.
Африканские цихлиды — идеальная модель для изучения происхождения биоразнообразия из-за «беспрецедентного количества видов, эволюционировавших за короткий геологический период».
ptch1 — хорошо изученный ген, участвующий в развитии организмов. Исследование показывает, как дифференциальная экспрессия этого гена в ходе развития может привести к изменениям в черепе, которые должны существенно влиять на жизнедеятельность рыбы.
- Одна форма гена способствует созданию более быстрых челюстей, лучше приспособленных для захвата подвижной добычи.
- Альтернативная форма приводит к развитию более медленных, но мощных челюстей, что лучше для потребления твёрдой добычи.
Это достигается за счёт одновременного изменения многих костей головы. Таким образом, эти простые генетические варианты могут значительно способствовать освоению организмами разных экологических ниш.
В экспериментах учёные рассматривали череп рыбы не просто как набор костей, а как динамическое механическое устройство. Они использовали принцип механики четырёхзвенных механизмов, чтобы понять, как генетически обусловленные изменения черепа трансформируются в различия эффективности движения челюстей.
Генетические изменения в ptch1 приводят к изменению длины двух из трёх подвижных звеньев в этой четырёхзвенной системе. Результат — две разные формы черепа с разной предсказанной кинематикой (геометрией движения челюстей).
Эффекты разных вариантов ptch1 на развитие челюсти могут помочь объяснить, как эта группа рыб смогла развить так много видов за короткое время. Единичное генетическое изменение затрагивает множество скелетных элементов, влияя на механику питания. Естественному отбору не нужно координировать изменения во многих местах генома, чтобы вид адаптировался к новой среде. Небольшого числа изменений, вероятно, достаточно, чтобы конкурирующие виды освоили разные ниши, обеспечив их сосуществование. В этом и заключается суть биоразнообразия — эффективность адаптации видов к меняющейся среде.
В то время как описанные здесь эффекты ptch1 на развитие цихлид ограничены нижней челюстью, в другой недавней статье в Nature Communications Альбертсон и коллеги показали, как изменения во втором хорошо охарактеризованном молекулярном пути — Wnt/β-катениновом — могут приводить к функционально значимым изменениям в верхней челюсти цихлид.