Как эволюционные механизмы создают биологическое разнообразие

Международная команда учёных выяснила, как изменения в экспрессии и последовательности генов привели к разнообразию зрительных систем у африканских цихлид.

В исследовании, опубликованном 21 декабря 2009 года в журнале PLoS Biology, описывается, как более 60 видов цихлид из озёр Малави и Виктория адаптировали свою зрительную чувствительность в ответ на экологические факторы: тип пищи и прозрачность воды.

Эволюционные биологи изучают два ключевых молекулярных механизма, способствующих разнообразию: изменения в последовательности генов и изменения в их экспрессии (когда, где и сколько гена производится). Эта работа — одна из первых, где показано, как оба механизма влияют на один и тот же признак, дополняя друг друга.

«Африканские цихлиды — одни из самых разнообразных животных на планете. Их зрительные системы радикально различаются по чувствительности, что представляет одни из самых больших известных различий у позвоночных», — объясняет Крис Хофманн.

Цихлиды имеют несколько генов колбочковых опсинов, позволяющих обнаруживать свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Разные виды экспрессируют разные подмножества этих опсинов.

Ключевые выводы:

• В прозрачных водах озера Малави рыбы экспрессировали широкий спектр опсинов. Рацион питания был ключевым фактором: рыбы, питающиеся в основном зоопланктоном, чаще имели УФ-чувствительность, помогающую обнаруживать эти мелкие прозрачные организмы.
• В мутных водах озера Виктория рыбы экспрессировали комбинацию опсинов, настроенную на более длинные волны, которые лучше проходят через такую воду. Это соответствовало световой среде, независимо от диеты.
• Учёные также обнаружили изменения в генетической последовательности самих опсинов, которые «тонко настраивали» чувствительность пигментов на крайних значениях спектра.

«Когда вы достигаете крайних точек светового спектра, нет другого гена, который можно было бы включить или выключить, поэтому единственный способ расширить чувствительность — изменить саму структуру гена», — говорит Келли О’Куин.

Таким образом, исследование представляет модель эволюции сенсорных систем, в которой оба молекулярных механизма работают согласованно.

Предыдущие работы (например, в Nature, 455, 620–626, 2 октября 2008) показали, что цветовое зрение играет ключевую роль в распознавании видов и выборе партнёров у цихлид.

«Ранее мы показали, что изменения в последовательности генов опсинов способствовали видообразованию. Скорость, с которой меняется экспрессия генов опсинов, позволяет предположить, что она также вносит вклад в создание невероятного разнообразия цихлид», — говорит Карен Карлтон.

Авторы продолжают работу, изучая рыб других африканских Великих озёр и даже коралловых рифов, чтобы лучше понять, как формируется биоразнообразие.