Странная история эволюции рыбьего глаза показывает, как могут рождаться новые виды

Эволюция позволяет животным развивать превосходные адаптации для выживания и процветания в экологических нишах. Эволюция глаз рыб — один из таких интригующих примеров. Новое исследование проливает свет на это эволюционное достижение и помогает понять, как рождаются новые виды.

Разнообразие жизни на Земле — результат эволюционных процессов, действующих миллионы лет. Изменения в генетическом составе организма, например, происходящие при половом размножении, могут дать преимущество и передаться следующему поколению. Вредные изменения, напротив, отсеиваются.

Помимо мелких мутаций, могут происходить дупликации всего генома или отдельных генов, ответственные за более крупные изменения. Считается, что дупликации всего генома заложили генетическую основу для групп животных, таких как позвоночные и рыбы, а дупликации отдельных генов способствуют видообразованию.

Новые цвета, новая перспектива

Опсиновые (зрительные) гены — ключевой компонент зрения животных и отличный пример того, как молекулярные изменения, такие как дупликация генов, влияют на восприятие окружающей среды. Молекулярные изменения в опсиновых генах могут изменить спектр цветов, которые животное способно воспринимать. Эти изменения важно изучать, так как они помогают объяснить, как создаётся видовое разнообразие.

По сравнению с тетраподами (млекопитающими, амфибиями, птицами и рептилиями), имеющими относительно стабильный набор опсинов, у костистых рыб благодаря дупликациям генов эволюционировало огромное разнообразие опсинов. У этих рыб большинство дупликаций отмечено в генах длинноволнового (красного) и средневолнового (зелёного) зрения. Ранее была обнаружена лишь одна дупликация в гене коротковолнового (синего) зрения у колючепёрых рыб (включая окуней и бассов). Однако, по сравнению с другими семействами генов, кажущееся отсутствие дупликаций в синем опсине говорит о более сложной истории его эволюции.

Исходя из этого, Фабио Кортези, Зузана Мусилова и коллеги в новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, решили переоценить эволюционную историю синего опсина (SWS2) у костистых рыб.

Используя современные методы секвенирования генов и анализа данных, они изучили геномы почти 100 видов рыб. Они обнаружили крупную дупликацию гена около 190–170 млн лет назад у неотелеостов. Также были найдены два других события дупликации: одно у ящероголовых рыб (Aulopiformes), которое, по-видимому, было изолированным, и другое, совпавшее с появлением первых перкоморфных рыб (около 110–130 млн лет назад), к которым относятся псевдохромисы (Pseudochromidae).

Глазами псевдохромисов

Однако просто знать о дупликации гена было недостаточно. Не все изменения в генах влияют на их функции у животного.

Чтобы понять, придала ли эта дупликация новую функцию, учёные провели углублённое исследование на псевдохромисе-кузене (Pseudochromis fuscus). Этот вид был выбран, так как у него обнаружили три дупликации синего опсина. Используя методы оценки спектральной чувствительности сетчатки, они обнаружили, что в сетчатке рыбы есть колбочки с двумя пиками чувствительности, попадающими в предсказанный диапазон дуплицированного синего опсина. Это показало, что дупликация действительно обеспечила функцию обнаружения синего света в их среде, что, вероятно, помогает им лучше выживать.

Но молодые особи живут в толще воды, а взрослые — на рифе. Возможно, экспрессия этого гена различается у молоди и взрослых? Тесты подтвердили это, показав разницу в экспрессии между жизненными стадиями. Это говорит о том, что молодые и взрослые особи обладают слегка разными зрительными системами.

Изменения в генах многое могут рассказать об эволюции, но не всегда возможно понять всю историю. Однако работа Кортези, Мусиловой и их коллег показывает, что с помощью хорошо спланированных экспериментов можно заглянуть в этот сложный процесс. Теперь можно утверждать, что, способствуя развитию новых зрительных возможностей, дупликации генов могут позволить видам процветать в различных световых условиях, что в конечном итоге может привести к образованию новых видов.