Естественный отбор формирует генетическую информацию, ограничивая разнообразие

Исследование тропических бабочек подтверждает, что естественный отбор может снижать генетическое разнообразие видов, влияя на части их генома, не имеющие прямого отношения к выживанию.

Исследование, проведенное группой ученых под руководством Кембриджского университета, было сосредоточено на генетических данных южноамериканских бабочек Heliconius. Оно показало, что когда у этих бабочек возникает полезная адаптация в результате мутации в ДНК, другие участки той же хромосомы — длинных цепочек ДНК, составляющих геном, — могут оказаться «сцепленными» с местом, где произошла мутация. Естественный отбор начинает влиять на судьбу этих связанных участков, даже если они сами не влияют на приспособленность вида и долгосрочные перспективы выживания.

По мере того как адаптация передается из поколения в поколение в результате естественного отбора, этот набор связанных генетических участков может передаваться целиком, устраняя ранее существовавшую в популяции генетическую вариацию в этих местах. Это эффективно ограничивает общий объем изменчивости в популяции бабочек.

Исследование дополняет аналогичные выводы, сделанные для других видов, включая человека и плодовых мушек, и вместе они предлагают одно из возможных решений давнего парадокса популяционной генетики. Парадокс заключается в том, что хотя виды с большей численностью популяции должны быть более генетически разнообразными (поскольку есть больше возможностей для возникновения новых мутаций), на практике они часто демонстрируют лишь столько же разнообразия, сколько и меньшие популяции.

Например, в данном исследовании ученые обнаружили, что генетическое разнообразие бабочек Heliconius очень похоже на таковое у плодовых мушек, хотя плодовых мушек гораздо больше. Они также оценили, что количество адаптаций у бабочек Heliconius, вызванных естественным отбором, вероятно, примерно вдвое меньше, чем у плодовых мушек. Другими словами, поскольку естественный отбор сильнее влияет на плодовых мушек, снижая вариативность, в итоге они демонстрируют примерно одинаковый уровень генетического разнообразия, несмотря на разницу в численности.

Исследователи подчеркивают, что это объяснение различных уровней генетического разнообразия между видами пока остается теорией. Не все ученые убеждены, что естественный отбор оказывает именно такой эффект, и утверждают, что вариативное разнообразие видов относительно размера популяции может иметь и другие причины.

Однако понимание этих причин поможет ответить на еще более фундаментальные научные вопросы — например, как и почему виды вообще различаются и когда их можно считать достаточно отличными от предков, чтобы представлять собой самостоятельный вид.

Доктор Саймон Мартин, научный сотрудник колледжа Святого Иоанна в Кембридже, руководивший исследованием, сказал: «Мы сможем полностью понять это, только если сравним результаты по разным видам. Расширение наших знаний на бабочек — это шаг к объяснению этих гораздо более широких закономерностей в природе; только с помощью такого рода исследований мы поймем, верны ли эти идеи».

Мартин и его коллеги изучили очень большой набор данных из 79 полных геномных последовательностей, представляющих 12 родственных видов бабочек Heliconius. Такие масштабные данные стали доступны лишь в последние годы благодаря прогрессу в секвенировании геномов, сделавшему этот процесс проще и доступнее.

Исследование включало поиск в последовательностях явной закономерности связи между определенными участками генома и низкой вариативностью. «Это действует как своего рода сигнатура, — сказал Мартин. — Если вы видите это в геноме, то, насколько мы можем судить, это указание на действие отбора».

Кроме того, исследователи сравнили количество вариаций в частях генома, кодирующих белки (и, следовательно, потенциально ответственных за адаптации), с количеством вариаций в других частях генома. Можно предсказать, каким было бы это соотношение, если бы вариации возникали только случайно. Разница между этим предсказанием и фактическими статистическими данными указывает на степень влияния естественного отбора на формирование видовых различий.

Исследование оценило, что около 30% белковых различий между видами Heliconius являются адаптациями, вызванными естественным отбором. В соответствии с теориями о разнообразии популяций других видов, это оказалось примерно вдвое меньше, чем количество белковых вариаций у плодовых мушек — более многочисленной популяции с меньшим общим генетическим разнообразием.

Интересно, что исследование, по сути, предполагает, что естественный отбор может ограничивать способность вида адаптироваться к будущим изменениям окружающей среды, устраняя связанные вариации, которые, несмотря на отсутствие немедленной пользы для вида, могли бы стать важными для его выживания и способности справляться с условиями в будущем.

«Изменчивость — это своего рода сырье, и вы не обязательно используете его все сразу, — объяснил Мартин. — Это то, что можно использовать для адаптации и изменений в будущем».

«За последние несколько лет в исследованиях такого рода появился феномен, когда мы видим, что вид адаптировался, и обнаруживаем, что мутация, лежащая в основе этой адаптации, на самом деле не была новой. Вместо этого это была вариация, которая уже существовала в популяции ранее. Поэтому, хотя мы не можем предсказать будущее, возникает идея, что мутации, не влияющие на выживание сегодня, могут стать источником полезной изменчивости в будущем».

Исследование опубликовано в майском номере журнала Genetics за 2016 год.