Сходные, но не идентичные эволюционные траектории адаптации птиц к высокогорью

С момента Дарвина адаптивная эволюция является краеугольным камнем эволюционной биологии. Ключевой вопрос: адаптируются ли животные сходным образом к одинаковым условиям среды? Ученые давно заметили, что животные в сходных условиях часто развивают схожие фенотипы, что отражено в классических эко-географических правилах (правила Бергмана, Аллена, Глогера). Это привело к гипотезе о высокой степени конвергенции фенотипической адаптации.

Однако, вопреки наблюдениям фенотипической конвергенции, геномные исследования последних 20 лет показывают, что генетические адаптации у животных в сходных условиях часто различаются. Поскольку генетические адаптации сильно зависят от доступного наследственного разнообразия, важно понять, развивают ли виды с общим предком сходные генетические адаптации.

Исследовательская группа под руководством докторов Лэй Фуминя, Цюй Яньхуа и Чжан Юнэ из Института зоологии Китайской академии наук совместно с Пекинским институтом геномики (BGI) изучила этот вопрос на примере комплекса видов снежных вьюрков. Эта группа — одна из немногих среди птиц, диверсифицировавшихся in situ в высокогорных условиях Цинхай-Тибетского нагорья (QTP).

Используя интегративный подход (реконструкция предкового фенотипа, сравнительная геномика и функциональные тесты), ученые описали новый случай адаптивной эволюции, где потомки развили сходные, но не идентичные эволюционные траектории для адаптации к экстремальным высокогорным условиям.

В отличие от большинства других представителей семейства Passeridae, обитающих на низких высотах, снежные вьюрки представляют собой адаптивную радиацию в высокогорьях QTP. Используя низкогорных родственников в качестве аутгруппы, исследователи реконструировали предковый фенотип и обнаружили, что предок снежных вьюрков уже был адаптирован к высокогорью и имел большую массу тела, чем его ближайшие низкогорные родственники.

Сравнительный геномный анализ и функциональные эксперименты с представителями трех основных клад снежных вьюрков показали, что генетический фон общего предка лишь частично ограничил адаптивную диверсификацию трех видов. Анализ сигналов положительного отбора выявил, что лишь около дюжины позитивно отобранных генов на ветви предка продолжали подвергаться отбору у всех трех потомков. При этом два из трех видов (adamsi и ruficollis) значительно сходны с предком по биологическим функциям позитивно отобранных генов.

Яркий пример — ген репарации ДНК DTL. Хотя способность к репарации повреждений ДНК улучшилась благодаря аминокислотным заменам как у предка снежных вьюрков, так и у его потомков (по сравнению с низкогорным контролем — полевым или горным воробьем), кинетика репарации различалась между предком и тремя потомками.

Адаптация разных животных к одной среде часто достигается через сходные фенотипические решения. Однако данное исследование показывает, что генетические адаптации следуют более сложным траекториям. Общая унаследованная от предка генетическая и развивающая архитектура вместе с уникальными для каждого вида микроместообитаниями формируют сходные, но не идентичные эволюционные пути.