Колюшка как генетическая карта быстрой эволюции
Что происходит, когда морскую рыбу помещают в пресноводное озеро? Этот естественный эксперимент происходил десятки тысяч раз за миллионы лет, когда морские трёхиглые колюшки, подобно лососю, поднимались по рекам на нерест и оказывались изолированы в озёрах, вынужденные эволюционировать как постоянные обитатели пресной воды.
Исследователь Майкл Белл (Калифорнийский университет в Беркли) обнаружил такой эксперимент природы в 1990 году на Аляске и с тех пор изучает физические изменения этих рыб и их генетическую основу. Он даже создал собственные эксперименты, заселив три озера Аляски морскими колюшками в 2009, 2011 и 2019 годах, чтобы отследить их эволюцию. Этот процесс, по-видимому, занимает лишь десятилетия, что резко контрастирует с медленной эволюцией, которую представлял себе Чарльз Дарвин, и даёт учёным уникальную возможность наблюдать адаптацию позвоночных в природе.
Итогом 31 года исследований стала статья, опубликованная 18 июня в журнале Science Advances, которая детализирует геномные изменения, лежащие в основе быстрой эволюции колюшек. Исследование под руководством Белла, Кришны Вирама (Университет Стоуни-Брук) и Дэвида Кингсли (Стэнфорд) проливает свет на то, какие генетические изменения могут лежать в основе эволюционного ответа на естественный отбор у других видов.
«Наша статья идентифицирует конкретные генетические варианты — последовательности ДНК, — которые встречаются с низкой частотой в морских популяциях трёхиглой колюшки (Gasterosteus aculeatus) и благоприятствуются естественным отбором при заселении пресной воды, что происходило бесчисленное количество раз за последние 10 миллионов лет», — сказал Белл.
Учёные ежегодно собирали колюшек из трёх озёр Аляски и проводили полногеномное секвенирование, чтобы отследить, как их ДНК эволюционировала в процессе адаптации к пресной воде. Они обнаружили сотни лежащих в основе геномных изменений.
«Мы показали, что геномные особенности, важные для быстрой эволюции колюшки, можно использовать для предсказания мест в геноме, где происходил естественный отбор у других видов, например, у вьюрков Дарвина. Это демонстрирует, что геномные механизмы, управляющие эволюцией пресноводной колюшки, лежат в основе адаптации видов в целом», — отметил Вирама.
Белл также обнаружил, что более старые гены крупнее молодых, и эти крупные, старые гены, как правило, эволюционируют быстрее, чем молодые и маленькие. Аналогичные тенденции были выявлены и у других видов.
Хотя предсказуемость эволюции — не точная наука, авторы считают, что понимание того, как колюшка колонизирует пресную воду, даёт важное представление о геномике эволюции позвоночных и о том, как эволюция может протекать в масштабах вида в будущем.
Белл увлёкся колюшками ещё после первого курса университета. Его докторская диссертация в UCLA была посвящена эволюции этой рыбы, и он изучает её ископаемые и современные формы с тех пор. Современное исследование началось с поездки в залив Кука на Аляске в 1990 году.
«Я случайно обнаружил 35-летнюю популяцию в озере Лоберг во время отбора проб для другого исследования в 1990 году. Это была случайность, но я понял, что должна происходить быстрая эволюция, поэтому продолжил работу в следующем году и каждый год после этого. В каком-то смысле этот исследовательский проект — моё детище и уникальная работа по эволюционной геномике», — заключил Белл.