Как сельдь адаптировалась к световой среде Балтийского моря
Международная команда ученых под руководством исследователей из Уппсальского университета (Швеция) обнаружила, что единственная замена аминокислоты в светочувствительном белке родопсине сыграла ключевую роль в адаптации сельди к красному смещению световой среды в Балтийском море. Удивительно, что около трети всех рыб, обитающих в солоноватой или пресной воде, несут ту же самую мутацию. Исследование опубликовано в PNAS.
Модель для эволюционных исследований
Атлантическая и балтийская сельдь — отличные модели для изучения эволюции по двум причинам:
- Их огромные размеры популяций позволяют изучать эффекты естественного отбора без влияния случайных изменений частоты генетических вариантов.
- Колонизация солоноватого Балтийского моря сельдью в течение последних 10 000 лет (после последнего оледенения) даёт возможность исследовать адаптацию к новой среде.
Ключевая мутация в родопсине
Анализ полного генома многих популяций сельди показал, что критическую роль сыграла замена аминокислоты фенилаланина на тирозин в белке родопсине. Это имеет смысл, поскольку родопсин — светочувствительный рецептор в сетчатке, а спутниковые данные показывают, что Балтийское море имеет среду с красным смещением по сравнению с Атлантическим океаном из-за поглощения синего света растворенным органическим материалом.
Генетический анализ указывает на очень быстрый эволюционный процесс: вариант гена родопсина, обнаруженный у балтийской сельди, стал наиболее распространенным всего за несколько сотен лет.
Структурное и функциональное значение
Аминокислоты фенилаланин и тирозин структурно очень похожи и отличаются только наличием гидроксильной группы (-OH) у тирозина. Однако кристаллическая структура родопсина показывает, что остаток 261 расположен вблизи хромофора ретиналя, где происходит поглощение света.
Наличие тирозина в родопсине балтийской сельди смещает поглощение света примерно на 10 нанометров в красную область, позволяя улавливать больше фотонов в световой среде Балтийского моря.
Конвергентная эволюция
Анализ последовательности родопсина у более чем 2000 видов рыб показал, что около трети всех видов, обитающих в солоноватой или пресной воде, несут точно такую же генетическую замену, как и балтийская сельдь. При этом почти все рыбы, живущие в морских водах, имеют вариант родопсина с фенилаланином, как атлантическая сельдь.
Эта мутация возникала независимо по крайней мере 20 раз у тысяч видов рыб, что является ярким примером конвергентной эволюции на молекулярном уровне.
Гипотеза о важности для молоди
Ученые предполагают, что это изменение в родопсине особенно важно на ювенильной стадии, позволяя личинкам рыб лучше использовать световую среду Балтийского моря при поиске пищи или избегании хищников.
Эта гипотеза подтверждается тем, что атлантический лосось и кумжа, которые всегда нерестятся в пресной воде, но могут жить в море, имеют тирозин 261 в родопсине, как пресноводные рыбы. В то же время европейский и японский угри, которые рождаются в морской воде, но живут во взрослом состоянии в пресной, несут фенилаланин 261, как большинство морских рыб.