Быстрая эволюция новых форм: изменение среды запускает врожденную способность к адаптации

Согласно классической модели эволюции, полезные признаки возникают в результате случайных мутаций и медленного естественного отбора. Однако этот процесс может быть слишком медленным для организмов, столкнувшихся с внезапными угрожающими изменениями среды.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые из Гарвардской медицинской школы и Института Уайтхеда показали, что у пещерных рыб (Astyanax mexicanus) быстрой адаптации способствует белок теплового шока HSP90.

Тысячи лет назад часть популяции этих рыб попала из рек в пещеры. В темноте рыбы утратили пигментацию, развили сенсорные системы и потеряли глаза. Потеря глаз считается адаптивным признаком, так как позволяет перенаправить ресурсы с бесполезного органа.

Эта потеря демонстрирует концепцию «стоячей генетической вариации» — скрытых генетических мутаций, которые проявляются только в стрессовых условиях. Работа Сьюзан Линдквист показала, что именно HSP90 подавляет проявление такой вариации у дрозофил, дрожжей и растений. В стрессе запас HSP90 истощается, что позволяет фенотипическим изменениям проявиться быстро.

«Деликатный баланс сворачивания белков, особенно контролируемый HSP90, — ключ. Умеренные изменения среды создают стресс для сворачивания белков, заставляя мелкие изменения в геноме иметь гораздо большие эффекты», — говорит Сьюзан Линдквист.

Ученые провели эксперименты с пещерными и речными рыбами одного вида:

• Речные рыбы, выращенные с препаратом, блокирующим HSP90 (имитация стресса), показали значительную вариацию в размере глаз.
• У пещерных рыб в тех же условиях не увеличилась вариация размеров глазниц, но сами глазницы стали меньше, что указывает на сохранение генетической чувствительности к HSP90.

Чтобы проверить эффект в естественных условиях, ученые изучили параметры воды в пещерах и реках. Они обнаружили значительную разницу в электропроводности (солености). Низкая проводимость, как в пещерах, может запускать тепловой шоковый ответ.

Речные рыбы, выращенные в воде с низкой проводимостью, показали ту же значительную вариацию в размере глаз. Это доказало, что природный стрессор имеет тот же эффект, что и химическое ингибирование HSP90.

«Это первое исследование, показывающее, что этот HSP90-опосредованный механизм может быть применен к позвоночным для реальных морфологических адаптивных признаков», — говорит ведущий автор Николя Ронер.

Исследование подтверждает, что быстрые и масштабные изменения окружающей среды могут раскрывать скрытую генетическую вариацию и менять ход реальной эволюции в природе.