Эволюция: Признаки, помогающие найти партнёра, могут приводить к уменьшению мозга

Долгое время в эволюционной биологии оставался открытым вопрос, как половой отбор влияет на развитие целых геномов. Половой отбор — это когда особи с определёнными признаками имеют более высокий репродуктивный успех, что приводит к распространению этих признаков в популяции.

Исследование, проведённое мной и моими коллегами из Центра эволюции Милнера, выявило значительную связь между разницей в размерах тела самцов и самок — известной как половой диморфизм размера (ПДР) — и генетическими изменениями у млекопитающих. Эти результаты дают новое представление о том, как половой отбор формирует структуру и функцию генома.

Половой отбор — мощная эволюционная сила, влияющая на репродуктивные признаки. Он действует через выбор партнёра (межполовой отбор) и конкуренцию между особями одного пола (внутриполовой отбор). Со временем эти постоянные давления формируют архитектуру генома, ускоряя эволюцию генов, связанных с репродуктивным успехом.

Это может влиять на голос, размер тела, оперение или другие признаки вида. Например, такое давление может стоять за увеличением роста у мужчин по сравнению с женщинами.

Недавние работы подчёркивают, как половой отбор способствует изменениям в генетическом плане (геноме) и активно используемых генах (транскриптоме).

Многие полодиморфные признаки возникают из-за полоспецифичных различий в экспрессии генов. Это позволяет единому общему геному производить различные мужские и женские типы.

Различия в размерах тела самцов и самок — распространённый результат полового отбора. Примеры: южный морской слон (Mirounga leonina), домашний хорёк (Mustela putorius furo) и северный морской котик (Callorhinus ursinus), у которых самцы более чем на 250% тяжелее самок. В то же время у видов, таких как натальская длиннопалая летучая мышь (Miniopterus natalensis), люди и вомбаты (Vombatus ursinus), наблюдается меньший ПДР: самцы весят менее чем на 50% больше самок.

Большая разница часто коррелирует с интенсивной конкуренцией между самцами, что ведёт к эволюции признаков, повышающих репродуктивный успех, например, высокого роста. Однако, хотя влияние этой разницы на физические признаки хорошо задокументировано, её воздействие на эволюцию генома оставалось в значительной степени неисследованным.

Обоняние против размера мозга

Мы проанализировали группы родственных генов, называемые генные семейства, у 124 видов млекопитающих. Наше исследование предоставляет убедительные доказательства того, что ПДР связан с серьёзными сдвигами в размерах таких семейств.

В частности, виды с высоким ПДР имеют расширение генных семейств, связанных с обонянием. В то же время их генные семейства, связанные с развитием мозга, имеют тенденцию к сокращению.

Это говорит о том, что у видов с сильной конкуренцией самцов инвестиции в признаки, способствующие репродуктивному успеху (например, обонятельные сигналы для распознавания партнёра), имеют приоритет над когнитивным развитием.

И наоборот, виды с низким ПДР демонстрируют расширение генных семейств, связанных с мозгом. Эта картина предполагает, что у этих млекопитающих естественный отбор может благоприятствовать когнитивным способностям и сложному социальному поведению, а не признакам, движимым половой конкуренцией.

Половой конфликт, при котором отбор действует в противоположных направлениях у самцов и самок, играет важную роль в эволюции генома. Это может проявляться в том, что самцы развивают более яркую окраску и выдающиеся черты, как у павлинов (Pavo cristatus) и гуппи (Poecilia reticulata). Хотя эти признаки повышают успех самцов, привлекая самок, они также могут увеличивать риск быть замеченными хищниками.

Многие половые различия возникают из-за того, что отбор по-разному действует на общий генетический материал, создавая эволюционное напряжение. Это может привести к полоспецифичной экспрессии генов, позволяя генам функционировать по-разному у самцов и самок. Так обстоит дело, например, с генами, контролирующими яркую окраску у гуппи.

Исследования показывают, что гены, находящиеся под сильным половым отбором, имеют тенденцию быстро эволюционировать, особенно те, что связаны с мужскими репродуктивными признаками, такими как размер тела или окраска. Кроме того, геномные особенности, такие как дупликация генов, могут способствовать эволюции полоспецифичных признаков, помогая смягчать конфликты между полами.

Наши выводы подтверждают эти идеи, демонстрируя, что ПДР влияет на эволюцию генных семейств, формируя молекулярные пути, критически важные для полового и когнитивного развития.

Эволюционный компромисс

Половой отбор не действует изолированно. Он взаимодействует с другими эволюционными силами, такими как естественный отбор и экологические давления, формируя разнообразие. Например, больший размер тела у самцов может давать преимущества в физической конкуренции. Но он также может увеличивать метаболические потребности и риск быть пойманным хищниками.

Аналогично, большой мозг и сложные социальные структуры могут быть выгодны видам, где когнитивные способности играют роль в репродуктивном успехе, как у людей. Но это происходит ценой более медленного развития и больших энергозатрат.

Это взаимодействие между половым отбором и другими эволюционными давлениями подчёркивает сложность эволюции генома. Признаки, дающие репродуктивные преимущества, не всегда совпадают с теми, что повышают выживаемость. Это приводит к компромиссным ситуациям, которые формируют видовое разнообразие с течением времени.

Изучая генетическую основу ПДР, наше исследование даёт новые перспективы на то, как эти ситуации разыгрываются на молекулярном уровне. В конечном итоге наши выводы уточняют понимание того, как половой отбор влияет на эволюцию генома у млекопитающих.

Будущие исследования должны углублённо изучить, как эти геномные изменения влияют на поведение и когнитивные способности у разных видов. Эти открытия откроют новые захватывающие направления для исследований, помогая ответить на фундаментальные вопросы о том, как эволюция формирует биоразнообразие на генетическом уровне.