Что нового под солнцем? Исследователи предлагают альтернативный взгляд на эволюцию «новых» структур

Многие ракообразные, включая омаров, крабов и усоногих, имеют похожий на плащ панцирь, выступающий из головы. Он может выполнять различные функции, например, служить укрытием для икры или защитным щитом, сохраняющим жабры влажными.

Ранее предполагалось, что этот карапакс не эволюционировал из какой-либо похожей структуры у предка ракообразных, а появился de novo (как бы «из ниоткуда») в результате случайного кооптирования генов, которые также определяют формирование крыльев у насекомых.

Однако в новом исследовании из Морской биологической лаборатории (MBL) научный сотрудник Хизер Брюс и директор Нипам Патель приводят доказательства альтернативной точки зрения: карапакс, наряду с другими пластинчатыми структурами у членистоногих (ракообразных, насекомых, паукообразных и многоножек), произошёл от боковой лопасти ноги общего предка.

Эти данные подтверждают их новую концепцию возникновения новых структур, которая предполагает, что они не так уж и новы. Исследование карапакса ракообразного Daphnia опубликовано в журнале Current Biology.

Как возникают новые структуры?

Преобладающая идея, называемая кооптацией генов, заключается в том, что гены, функционирующие в одном контексте (например, для создания крыльев насекомого), оказываются в несвязанном контексте, где они создают, скажем, карапакс. Однако авторы показывают, что карапакс Daphnia не просто возник из ниоткуда.

Они предполагают, что предковая пластинчатая лопасть ноги, которая эволюционировала как в крыло, так и в карапакс, вероятно, присутствовала у предка всех ныне живущих членистоногих. Но поскольку крыло и карапакс так сильно отличаются от этой предковой пластины и от других пластин у родственных линий членистоногих, никто не осознавал, что это одно и то же.

Криптическая персистенция (скрытое сохранение)

Брюс называет свою модель возникновения новых структур «скрытым сохранением серийных гомологов».

Серийные гомологи — это, например, кисти и стопы, позвонки или многочисленные ноги, повторяющиеся вдоль тела сороконожки. Повторы могут выглядеть по-разному, но между ними есть сходства, и все они строятся с использованием одних и тех же исходных генетических путей. В некоторых случаях полная структура не развивается — нога сороконожки может быть редуцирована, очень маленькой или незаметной. Клетки запрограммированы на формирование ноги, но сама нога не вырастает.

По мнению Брюс, такие «спящие» зачатки (ноги, пластины и т.д.) могут сохраняться миллионы лет, пока другой повтор этой структуры всё ещё присутствует где-то ещё в теле животного. И когда наступает подходящее время, структура может снова развиться и принять разные формы у разных видов — например, крыло у насекомого или карапакс у ракообразного.

«Если древняя структура больше не нужна, природа, вероятно, просто сокращает или редуцирует эту ткань, а не удаляет её полностью. Но ткань всё ещё там и может быть снова развита в более поздних линиях, представая перед нами как новая», — говорит Брюс.

Такого рода редукция, вероятно, обычна в эволюции из-за взаимозависимости генетических сетей. Удаление одного пути или ткани затронуло бы другие.

Выводы

Авторы пришли к выводам, анализируя паттерны экспрессии генов у нескольких видов членистоногих и исключая другие гипотезы эволюции карапакса.

«Древнее общее происхождение всех этих пластинчатых структур [у членистоногих] предполагает, что генетические сети, которые их формируют, очень эволюционно пластичны. Они способны порождать огромное разнообразие», — заключает Брюс.