Есть больше одного способа вырастить детёныша

Эволюционный биолог Стивен Джей Гулд в своей книге 1989 года «Удивительная жизнь» утверждал, что если бы можно было «перемотать плёнку» эволюции, жизнь на Земле каждый раз развивалась бы принципиально иначе.

Прав ли он? Конвергентная эволюция, при которой у неродственных организмов возникают сходные черты для выполнения одинаковых функций, — отличная модель для проверки этой мысли.

Классический пример — независимое возникновение крыльев и полёта у насекомых, птиц, птерозавров и летучих мышей. Другой — живорождение (вивипария), которое независимо от яйцекладки эволюционировало у позвоночных более 150 раз.

Чтобы понять, как это произошло, мы изучили гены, участвующие в беременности и живорождении у шести разных живородящих видов. Мы обнаружили, что, несмотря на общее сходство анатомии и физиологии, каждый вид использовал совершенно разные генетические «инструменты» для рождения живого потомства.

Контролируется ли живорождение универсальным набором генов?

Почти у всех изученных живородящих позвоночных изменения в тканях во время беременности и биофизические процессы выглядят очень похоже.

Некоторые общие элементы:

Эти изменения должны контролироваться в основном генетически, и мы знаем, что экспрессия генов меняется во время беременности у разных живородящих животных.

Однако насколько эти изменения универсальны? Используются ли одни и те же гены при беременности у млекопитающих и рыб? Или сходный результат достигается совершенно разными генами?

Именно это мы и попытались выяснить в нашем исследовании, недавно опубликованном в Molecular Biology and Evolution.

Измерение активности генов во время беременности

Развитие животного контролируется его генами, средой и их взаимодействием.

Не каждый ген активен постоянно. Гены включаются (экспрессируются), когда это необходимо, и выключаются.

Уровни экспрессии генов естественным образом меняются со временем, в том числе при беременности. С помощью метода «транскриптомики» мы можем делать «снимки» этих изменений.

Чтобы изучить генетические изменения в матке во время беременности у разных видов, мы собрали образцы или использовали существующие данные от шести живородящих животных: австралийской остроносой акулы, трёх видов австралийских ящериц, серого короткохвостого опоссума и бурой лабораторной крысы.

Такая широкая выборка позволила определить, происходят ли одинаковые изменения экспрессии генов во время беременности у видов, у которых живорождение возникло независимо. Это первое количественное исследование генетической основы живорождения в таком широком эволюционном масштабе.

Существует много разных способов вырастить детёныша

Мы ожидали обнаружить, что многие из одних и тех же генов используются во время беременности для поддержки роста и выживания эмбрионов у каждого из изученных видов.

Эта гипотеза казалась логичной, учитывая анатомическое сходство процессов беременности у живородящих позвоночных и качественные выводы предыдущих исследований.

Вместо этого мы обнаружили, что не существует единого набора «генов живорождения», используемого во время беременности у всех изученных животных. Эволюция пришла к сходным функциям для успешной беременности, но эти функции достигаются за счёт привлечения разных групп генов.

Этот неожиданный результат также имеет смысл. Разные эволюционные линии животных могут иметь разные генетические «наборы инструментов» из-за своей уникальной истории.

Такой «набор инструментов» можно рассматривать как широкий класс генов, выполняющих схожие базовые функции. В эволюционных масштабах времени разные гены из этого набора могут быть задействованы для выполнения одних и тех же физиологических функций у разных животных.

Например, для развития детёнышам необходим доступ к аминокислотам. У многих видов эти аминокислоты транспортируются от матери к плоду через плаценту с помощью генов-переносчиков растворённых веществ (solute carrier genes).

Мы идентифицировали более 75 таких генов в общем генетическом «наборе инструментов» изученных видов. Однако каждый вид использовал для транспорта аминокислот во время беременности разные гены из этого набора.

Переосмысление живорождения

Наши выводы заставляют пересмотреть идею о том, что межвидовое сходство в живорождении контролируется одинаковыми генетическими изменениями.

Мы также можем рассмотреть наши результаты в контексте мыслительного эксперимента Гулда о «перемотке плёнки жизни».

Была ли эволюция живорождения предсказуемой? Это зависит от точки зрения.

Крупномасштабное сходство, такое как анатомия и функции матки, кажется предсказуемым. Оно, по-видимому, неоднократно возникало для решения биофизических задач успешной беременности.

Однако наши результаты показывают, что эта предсказуемость не распространяется на лежащие в основе гены.