Эволюция животного яда происходит на «двух скоростях»

Новое исследование учёных из Еврейского университета в Иерусалиме, опубликованное в журнале PLOS Genetics, раскрывает новые детали эволюции животного яда.

Яд — это сложная смесь белков и других токсичных веществ, которую производят животные, например, змеи и пауки, для обездвиживания добычи или защиты от хищников. Влияние положительного отбора (процесса, при котором белок быстро меняется в эволюционных масштабах времени) на расширение и диверсификацию ядов широко признано.

Считалось, что этот процесс — результат эволюционной химической «гонки вооружений», в которой появление мощного яда у хищников и развитие устойчивости к нему у их жертв оказывают взаимное давление отбора.

В отличие от положительного отбора, роль очищающего отбора (также известного как отрицательный отбор, который удаляет вредные генетические изменения из популяции) в эволюции яда рассматривалась редко.

Кроме того, исследования яда в основном фокусировались на «молодых» группах животных, таких как ядовитые змеи и конусные улитки, которые появились относительно недавно (около 50 млн лет назад), пренебрегая древними группами. В результате был сделан вывод, что эволюция яда в основном движется положительным отбором.

В новом исследовании доктор Йеху Моран и приглашённый учёный доктор Картик Сунагар изучили множество генов яда у разных животных, чтобы раскрыть уникальные эволюционные стратегии семейств генов токсинов.

Исследователи проанализировали и сравнили эволюционные паттерны более 3500 последовательностей токсинов из 85 семейств генов. Эти токсины охватывали весь спектр животного царства, включая древние ядовитые группы: многоножек, скорпионов, пауков, колеоидов (осьминогов, каракатиц и кальмаров) и стрекающих (медуз, морских анемонов и гидр).

Неожиданно оказалось, что, несмотря на долгую эволюционную историю, древние группы животных накопили лишь низкую вариативность в своих токсинах.

Анализ также выявил разительный контраст между эволюцией яда у древних групп животных по сравнению с эволюционно «молодыми». Он также подчеркнул значительную роль очищающего отбора в формировании состава ядов.

По словам доктора Йеху Морана: «Наше исследование показывает, что в то время как яды древних линий эволюционируют медленнее под действием очищающего отбора, яды более поздних линий быстро диверсифицируются под влиянием положительного отбора».

Результаты позволили выдвинуть новую теорию эволюции яда. Согласно ей, гены, производящие токсины, у молодых ядовитых групп, попадающих в новую экологическую нишу, испытывают сильное влияние положительного отбора, который диверсифицирует их токсины, увеличивая шансы эффективно парализовать соответствующую добычу и хищников в новой среде.

Однако в случае древних ядовитых групп, где яд уже «оптимизирован» и хорошо подходит для экологической ниши, скорость накопления вариаций в яде замедляется под влиянием очищающего отбора, который сохраняет ранее выработанные мощные токсины.

Предложенный «двухскоростной» режим эволюции яда подчёркивает увлекательную эволюционную динамику этого сложного биохимического коктейля, впервые показывая значительную роль различных сил естественного отбора в формировании животных ядов.

По словам докторов Морана и Сунагара: «"Двухскоростной" режим эволюции животных ядов включает начальный период экспансии, приводящий к быстрой диверсификации ядовитого арсенала, за которым следуют более длительные периоды очищающего отбора, сохраняющего теперь уже мощный набор токсинов. Однако виды, вошедшие в стадию очистки и фиксации, могут повторно войти в период экспансии, если они переживут серьёзный сдвиг в экологии и/или окружающей среде».