Эволюционные изменения на молекулярном уровне непредсказуемы

Используя современные молекулярные инструменты и полевые исследования, биолог из Университета Небраски-Линкольна Джей Шторц и его коллеги впервые продемонстрировали, что разные виды могут использовать разные генетические пути для развития одного и того же признака. Результаты работы опубликованы 21 октября в журнале Science.

Суть вопроса

Существует давний вопрос в эволюционной генетике о предсказуемости генетических изменений: развился ли общий полезный признак у разных видов благодаря одинаковым генетическим изменениям или через разные, а значит, непредсказуемые пути?

Оказалось, что естественный отбор может надежно формировать сходные полезные признаки у разных видов. Однако на молекулярном уровне эволюционные изменения, как правило, высоко идиосинкразичны и поэтому гораздо менее предсказуемы.

Исследование на птицах Анд

Для проверки Шторц обратился к птицам, обитающим в Андах в Южной Америке. Сравнивая виды высокогорных птиц с их равнинными сородичами, команда установила, что у высокогорных птиц эволюционировали эритроциты с белками гемоглобина, которые легче связывают молекулы кислорода. Этот признак полезен для жизни в условиях низкого содержания кислорода.

Тестируя белки гемоглобина от многочисленных высокогорных видов, команда определила, какие мутации в структуре белков ответственны за этот признак. В большинстве случаев изменение функции белка у разных видов было вызвано разными мутациями.

Результаты и объяснение

Это указывает на то, что существует множество возможных мутаций, которые могут произвести один и тот же фенотипический эффект (признак). Предсказать, какие именно мутации ответственны за эти изменения, невозможно.

Одна из возможных причин такой изменчивости заключается в том, что в ходе эволюции гемоглобины разных видов накопили свои уникальные наборы мутаций. Учитывая эти различные генетические фоны, мутация, производящая полезный эффект у одного вида, может дать вредный эффект у другого.

Проверка на предковых белках

Чтобы проверить эту теорию, команда использовала инструменты генной инженерии, чтобы реконструировать и «воскресить» белки гемоглобина нескольких предковых видов птиц, включая общего предка всех птиц, существовавшего более 100 миллионов лет назад. Внедрение «высокогорных» мутаций в древние белки привело к совершенно иным эффектам, чем у современных птиц.

По мере развития эволюции во времени в разных видах и условиях накапливаются различные мутации. Естественный отбор оказывает схожее давление, заставляя виды адаптироваться, например, при заселении высокогорий, но адаптация должна идти разными генетическими путями.