Помидоры на Галапагосах тихо «деэволюционируют»
На более молодых островах с чёрными скалами Галапагосского архипелага дикорастущие помидоры ведут себя странно. Они сбрасывают миллионы лет эволюции, возвращаясь к более примитивному генетическому состоянию, которое возрождает древние химические защиты.
Эти помидоры, произошедшие от южноамериканских предков, вероятно занесённых птицами, начали производить токсичный молекулярный коктейль, который не встречался миллионы лет. Он напоминает соединения, содержащиеся в баклажанах, а не в современном томате.
В исследовании, недавно опубликованном в Nature Communications, учёные Калифорнийского университета в Риверсайде описывают это неожиданное явление как возможный случай «обратной эволюции» — термин, который часто вызывает споры среди эволюционных биологов.
Эволюция обычно рассматривается как односторонний путь к адаптации, а не как круговой путь назад к утраченным признакам. Хотя организмы иногда вновь обретают черты, сходные с чертами предков, сделать это через те же генетические пути — редкость, которую сложно доказать.
Однако именно это, по-видимому, и происходит с этими томатами.
Ключевые игроки в этом химическом развороте — алкалоиды. Помидоры, картофель, баклажаны и другие паслёновые производят эти горькие молекулы, которые действуют как встроенные пестициды, отпугивая насекомых, грибки и травоядных животных.
Исследователи начали этот проект, потому что алкалоиды в культурах могут быть проблематичными. В высоких концентрациях они токсичны для человека, отсюда и желание понять их производство и снизить их содержание в съедобных частях плодов и клубней.
Интересно то, что галапагосские помидоры производят не те алкалоиды, которые ожидаются, а те, которые не встречались в томатах с ранних этапов их эволюции.
Учёные проанализировали более 30 образцов томатов, собранных в разных географических точках островов. Они обнаружили, что растения на восточных островах производили те же алкалоиды, что и современные культурные помидоры. Но на западных островах томаты вырабатывали другую версию с молекулярным «отпечатком» родственников баклажана, существовавших миллионы лет назад.
Эта разница сводится к стереохимии — тому, как атомы расположены в трёхмерном пространстве. Две молекулы могут содержать одни и те же атомы, но вести себя совершенно по-разному в зависимости от их расположения.
Чтобы понять, как томаты совершили переключение, исследователи изучили ферменты, собирающие эти молекулы алкалоидов. Они обнаружили, что изменение всего четырёх аминокислот в одном ферменте было достаточно, чтобы перевернуть структуру молекулы с современной на предковую.
Они доказали это, синтезировав в лаборатории гены, кодирующие эти ферменты, и вставив их в растения табака, которые немедленно начали производить древние соединения.
Закономерность не была случайной. Она совпадала с географией. Помидоры на восточных, более старых островах, которые более стабильны и биологически разнообразны, производили современные алкалоиды. Те, что на молодых западных островах, где ландшафт более бесплоден, а почва менее развита, перешли на древнюю химию.
Исследователи полагают, что среда на новых островах может быть движущей силой этого возврата. «Возможно, предковая молекула обеспечивает лучшую защиту в суровых западных условиях», — сказал Адам Йозвяк.
Чтобы проверить направление изменения, команда провела эволюционное моделирование, которое использует современную ДНК для выведения признаков давно вымерших предков. Помидоры на молодых островах соответствовали тому, что, вероятно, производили эти ранние предки.
Назвать это «обратной эволюцией» — смелый шаг. Хотя повторное появление старых признаков было задокументировано у змей, рыб и даже бактерий, оно редко бывает настолько ясным или химически точным.
«Некоторые люди в это не верят, — говорит Йозвяк. — Но генетические и химические данные указывают на возврат к предковому состоянию. Механизм есть. Это произошло».
И такие изменения могут не ограничиваться растениями. Если это может случиться с помидорами, теоретически это может произойти и с другими видами. «Я думаю, это могло бы случиться и с людьми. Это произойдёт не через год или два, но со временем, возможно, если условия окружающей среды изменятся достаточно сильно».
Признаки, давно утраченные, могут вновь появиться. Древние гены могут пробудиться. И, как предполагает это исследование, жизнь иногда может найти способ двигаться вперёд, заглядывая в прошлое.
«Если вы измените всего несколько аминокислот, вы можете получить совершенно другую молекулу, — говорит Йозвяк. — Эти знания могут помочь нам создавать новые лекарства, разрабатывать лучшую устойчивость к вредителям или даже делать менее токсичные продукты. Но сначала мы должны понять, как это делает природа. Это исследование — шаг к этому».