Возвращение в море: эволюционные переходы млекопитающих обратно в водную среду
Новое исследование Марии Чикиной и Натана Кларка показало, что в ходе трёх крупных независимых эволюционных событий ряд млекопитающих вернулся в море. Это коснулось ламантина, моржа, дельфина и косатки.
Возвращение в море потребовало множества эволюционных компромиссов на уровне сотен генов:
- Общее сокращение количества сенсорных генов, отвечающих за обоняние и вкус.
- Появление новых функций у генов, формирующих кожу и соединительную ткань.
- Изменения в генах, связанных со структурой мышц и метаболизмом.
Методология исследования
Учёные проанализировали 59 геномов плацентарных млекопитающих, чтобы рассчитать относительные скорости эволюции для всех ветвей в 18 049 генных деревьях. Они применили новый подход:
- Рассчитали общегеномную среднюю скорость эволюции для всех видов.
- Определили, «нажимали» ли морские млекопитающие на эволюционную «педаль газа» или «тормоз» по сравнению со средней скоростью.
- Использовали эти относительные скорости, чтобы выявить гены, которые могли независимо ускориться или замедлиться у пяти морских видов: афалины, косатки, моржа, тюленя Уэдделла и американского ламантина.
Как отметил Натан Кларк: «Используя разнообразие млекопитающих, мы можем многое узнать о нашей собственной генетике и физиологии. Наш новый подход готов выявить эволюционные адаптации для бесчисленного множества других сред — моря, высокогорья, пустыни или даже подземного мира».
Ключевые результаты
Были идентифицированы сотни генов, которые показали три основные эволюционные темы в ответ на морскую среду: всплеск адаптации, за которым следовали релаксация и дополнительные ограничения.
Гены с ускоренной эволюцией у морских видов были значительно обогащены функциональными категориями, которые хорошо согласуются с современными знаниями об адаптациях морских млекопитающих:
- Сенсорные системы
- Функция мышц
- Кожа и соединительная ткань
- Функция лёгких
- Липидный метаболизм
Например, была обнаружена ускоренная адаптация гена, кодирующего белок лёгочного сурфактанта (SFTPB), что могло быть связано с изменениями в лёгких, необходимыми для ныряния.
Эволюционное замедление
Интересно, что эволюционное замедление, связанное с морскими видами, затронуло большую долю генов (11%), чем ускорение (9%). Функции этих генов были связаны с молекулярными механизмами поддержания целостности:
- Репарация ДНК
- Поддержание хромосом
- Иммунный ответ
- Запрограммированная гибель клеток
Авторы утверждают, что более медленная скорость изменений в этих функциях согласуется с повышенными ограничениями на поддержание соматических клеток, что требуется относительно долгоживущим и крупным млекопитающим. Это иллюстрируется другими крупными и долгоживущими видами с замедленными скоростями в этих генах (например, ген репарации двунитевых разрывов XRCC4 также высоко консервативен у слона).
Вывод
Исследование морских млекопитающих — лишь первая демонстрация этого нового эволюционного подхода. Метод достаточно универсален, чтобы его можно было применять для решения многих других вопросов, касающихся ключевых генов, участвующих в разнообразии жизни.