Как гены раскрывают историю жизни на Земле
Полное древо жизни, показывающее родственные связи между организмами и время их возникновения, давно является целью биологов, но было скрыто неполнотой летописи окаменелостей.
Современное секвенирование генов следующего поколения, способное прочитать сотни миллионов фрагментов ДНК, не только революционизирует медицину и сельское хозяйство, но и меняет наше понимание происхождения и распространения жизни на Земле.
Мы с коллегами использовали эти методы, чтобы заглянуть в кембрийский период (542–488 млн лет назад) и выяснить связи между основными классами иглокожих — группы морских животных, включающей морские звёзды, морские ежи, офиур (змеехвосток), голотурий и морских лилий. Результаты опубликованы в журнале Current Biology.
При должной тщательности исследователи могут создавать качественные генетические наборы данных, использовать их для построения однозначного древа родства и увидеть, как жизнь реагировала на изменения климата в прошлом. Также можно точнее картировать биоразнообразие, выявляя регионы или виды с уникальным генетическим наследием.
В фокусе — офиуры
Мы сосредоточились на офиурах (змеехвостках). Хотя они не так известны, как морские звёзды, они обильно населяют морское дно — от прибрежных рифов до глубоководных желобов. Их ареал — от экватора до полярных регионов.
Их ключевое преимущество для науки — обильное присутствие в коллекциях музеев мира. Они часто отбирались научными экспедициями, идентифицировались и сохранялись. Это даёт два преимущества:
- Формируется обширная база данных о месте, времени и глубине их обнаружения.
- Создаётся большое хранилище тканей животных для извлечения ДНК.
Создание чистых наборов данных с выровненными последовательностями ДНК — сложная задача из-за загрязнений, дупликаций генов, ретротранспозонов и других проблем. Однако тщательная работа окупилась: мы получили надёжное древо жизни, иллюстрирующее происхождение и разнообразие современных офиур.
Ключевые выводы:
- Современные офиуры появились незадолго до великого Пермско-триасового вымирания (252 млн лет назад), которое уничтожило 95% морской жизни. Большинство древних палеозойских офиур исчезло, выжили лишь несколько линий.
- Последующая эволюция офиур оказалась непредсказуемой. Многие внешние признаки, которые использовались для их классификации, независимо эволюционировали несколько раз и оказались плохим ориентиром для определения родства. Существующую классификацию во многом придётся пересмотреть.
- Обнадеживающий аспект: некоторые мельчайшие особенности скелета оказались согласованными с нашим древом. Эти микроскопические структуры хорошо сохраняются в ископаемых офиурах.
Фрагменты скелетов офиур часто встречаются в осадочных породах. Теперь, когда многие из этих микрофоссилий можно точно интерпретировать, открывается новый огромный набор данных для изучения экологии и эволюции древних морских сообществ.
Значение для картирования видов и сохранения биоразнообразия
Наша конечная цель — картировать распространение офиур по всему миру и создать детальную филогению, чтобы исследовать ключевые вопросы морской эволюции и биогеографии:
- Когда и как часто возникала глубоководная или полярная фауна?
- Как связаны виды из разных океанов или сред обитания?
- Менялась ли со временем скорость видообразования?
- Какое влияние оказали массовые вымирания на эту группу животных?
Практическое применение филогенетических исследований:
Если одна из целей сохранения природы — сберечь генетическое наследие жизни на планете, то, возможно, стоит приоритезировать защиту наиболее эволюционно обособленных линий — видов или групп, отдалённо родственных другим и имеющих уникальные генетические варианты.
Мы можем картировать эволюционную уникальность по регионам, находя «горячие точки» генетического разнообразия — морские аналоги тропических лесов.
Измерение эволюционной уникальности через профилирование ДНК может стать быстрым способом оценки природоохранной ценности сообщества. Это особенно актуально на фоне интереса к добыче полезных ископаемых на глубоководном дне, где уже выделяются лицензионные участки.
Сравнивать фауну разных глубоководных районов сложно и субъективно, так как о биологии многих видов известно мало. Небольшая разница во внешнем виде может означать как новый вид, так и просто реакцию на условия среды. Количественная оценка эволюционной уникальности сообщества по ДНК видов предлагает более точный подход.
В будущем, возможно, не придётся отбирать самих животных. Все организмы оставляют следы своей ДНК в окружающей среде (через ткани, фекалии хищников, после смерти). Развивающаяся область метагеномики изучает возможность обнаружения организмов по этой «экологической ДНК».
Новые технологии стремительно предоставляют данные для ответа на вопросы об эволюции жизни, которые занимали человечество сотни лет.