Компромиссы в адаптивной анатомии: виды дрозофил имеют хорошее зрение или обоняние, но не оба сразу

Учёные из Института химической экологии Общества Макса Планка систематически изучили и сравнили глаза, антенны (усики) и связанные с ними структуры мозга более чем у 60 видов рода Drosophila. Они обнаружили большую вариативность, но при этом тесную корреляцию между двумя сенсорными системами. Размер органов чувств связан с поведением при выборе партнёра и растения-хозяина.

Ранее авторы наблюдали разное поведение у чёрнобрюхой плодовой мушки Drosophila melanogaster и вишнёвой мухи Drosophila suzukii: в то время как D. melanogaster чаще привлекает запах пищи, D. suzukii при поиске корма также полагается на зрение. Эти сенсорные предпочтения отразились в разном размере соответствующих органов чувств.

Основываясь на этом наблюдении, учёные выдвинули гипотезу о том, что вариация в развитии зрения и обоняния является результатом эволюционного компромисса (trade-off), при котором полезное изменение одного признака связано с неблагоприятным изменением другого. В случае рода Drosophila наблюдается явный компромисс в развитии зрительных и обонятельных органов.

Для проверки гипотезы исследователи изучили форму и функцию глаз и антенн, а также связанные с ними зрительные и обонятельные структуры мозга у 62 видов Drosophila. Ведущий автор Ян Кизи отмечает: «Род Drosophila предложил нам гораздо большую вариацию в сенсорном развитии, чем мы ожидали в рамках одной близкородственной группы насекомых. И действительно, у видов с большими глазами были маленькие „носы“ или антенны, в то время как у видов с более крупными антеннами были пропорционально меньшие глаза».

Размер органов чувств, в свою очередь, отражает предпочтения при выборе растения-хозяина или партнёра. Мухи с «большим носом» чаще используют обонятельные сигналы, а мухи с большими глазами — визуальные.

Маркус Кнаден поясняет: «Детальный анализ глаз и антенн выявил весь спектр компромисса между зрением и обонянием: мы нашли виды, которые в основном инвестировали в зрение, виды, у которых зрение и обоняние примерно равны, и виды, которые полагаются в основном на обоняние, но ни у одного из изученных видов не было одновременно и больших глаз, и больших антенн». Для анализа исследователи реконструировали первичные сенсорные структуры мозга, включая оптические и антеннальные доли.

Одна из возможных причин, по которой животным приходится выбирать между хорошо развитой обонятельной системой и зрением, может заключаться в том, что в эмбриональном развитии оба сенсорных органа возникают из одной структуры с ограниченным числом ядер. Конкуренция за ресурсы, которая решает, какой из двух органов чувств будет более выражен, происходит на очень ранней стадии развития.

Важный вывод исследования — генетические признаки связаны. Изменение одного признака может сильно повлиять на организм. Однако некоторые свойства труднее изменить, особенно если они связаны с другими. Ян Кизи говорит: «Удивительно, что два так хорошо изученных чувства, как зрение и обоняние, обратно коррелируют. Мы теперь предполагаем, что существуют эволюционные давления, заставляющие насекомых отдавать приоритет либо глазу, либо носу».

Своим исследованием учёные хотят открыть новые пути в так называемых исследованиях Eco-Evo-Devo. Эта область основана на предположении, что концепции экологии (eco), эволюции (evo) и биологии развития (devo) тесно связаны, и понимание экологических отношений также требует эволюционных и эмбриологических знаний, и наоборот. Хотя геномные данные доступны для многих видов, знания об их экологии часто отсутствуют.

Учёные также хотят побудить другие исследовательские группы не смотреть только на хорошо изученную Drosophila melanogaster, а включать в свои исследования больше видов этого рода. Обширные наборы данных этого исследования доступны в базе данных Макса Планка Edmond.