Гремучие змеи сохраняют генетически разнообразный арсенал яда, чтобы успевать за эволюцией жертв
В эволюционной гонке вооружений между гремучими змеями и их добычей (грызунами, птицами и другими рептилиями) жертвы вырабатывают устойчивость к смертельному яду, чтобы выжить. Новое исследование показывает, как змеи сохраняют преимущество: они поддерживают широкий и разнообразный набор генов, кодирующих яд, что позволяет им адаптироваться по мере изменения местной добычи и условий.
Результаты, опубликованные в Nature Ecology & Evolution, объясняют, как гремучие змеи на протяжении миллионов лет успевали за эволюцией устойчивости у своих жертв. Это опровергает десятилетия представлений о факторах, формирующих эволюцию генов яда и его вариативность, и проливает свет на сложности в создании эффективных антидотов.
«Мы обнаружили, что у этих гремучих змей более разнообразный репертуар яда, больше генетических "инструментов в ящике", чем можно предположить, исходя только из состава их яда», — сказал Дрю Шилд, ведущий автор статьи.
Яд змей — эволюционная адаптация, состоящая из различных ферментов и токсинов. Десятилетия считалось, что коэволюция хищника и жертвы ведёт к высокой специализации яда («направленный отбор»), а неиспользуемое генетическое разнообразие исчезает.
Новое исследование предполагает, что вместо этого действует «балансирующий отбор» — эволюционный процесс, при котором сохраняются множественные версии гена (в данном случае генов, кодирующих белки яда), а не устраняются. Это может быть ключом к тому, как змеи избегают эволюционных тупиков.
«Наличие механизмов устойчивости у жертв заставило нас задуматься: если на змей оказывается ответное давление отбора, то эволюционно может иметь смысл обладать расширенным арсеналом яда», — сказал Шилд.
Поскольку гремучие змеи охотятся на разнообразных животных, отбор со временем может не только поддерживать, но и активно способствовать большему разнообразию генов яда.
«Наши результаты помогают объяснить десятилетия seemingly противоречивых теорий и доказательств. Оказывается, гонка вооружений между змеями и жертвами способствует постоянному "перетасовыванию" favored вариантов яда, что приводит к сохранению множества его вариантов с течением времени, некоторые из которых являются древними», — сказал Тодд Кастоу, соавтор исследования.
Исследование на уровне популяций
Ранее Шилд и коллеги определили, где в геноме гремучей змеи расположены гены яда. Осознав генетическую архитектуру яда как признака, учёные смогли исследовать действующие на эти гены эволюционные механизмы.
Исследователи сосредоточились на популяциях гремучих змей в Колорадо, Монтане, Калифорнии и Айдахо. С 2017 по 2020 год они собрали 68 особей двух видов, чтобы взять образцы крови, яда и провести измерения.
Секвенирование и анализ геномов выявили поразительное генетическое разнообразие и убедительные доказательства того, что естественный отбор поддерживает множественные формы различных генов яда. Это добавляет доказательств тому, что балансирующий отбор в природе более распространён, чем считалось ранее.
Шилд полагает, что хотя направленный отбор, возможно, управлял возникновением яда, в более поздние периоды мог произойти сдвиг равновесия в сторону балансирующего отбора, благоприятствующего разнообразному репертуару яда.
Это может быть одной из причин, по которой укусы змей так сложно лечить.
«Эти эволюционные механизмы повышают сложность, с которой приходится сталкиваться при разработке антидотов, поскольку состав яда у одного и того же вида, но в разных географических регионах может быть совершенно разным», — сказал Шилд.
Понимание истинного разнообразия геномов ядовитых змей может способствовать прогрессу в создании антидотов и спасению жизней по всему миру.