Исследование зоопланктона бросает вызов традиционным взглядам на эволюцию

Ученые из Университета штата Аризона и их коллеги исследовали генетические изменения в естественно изолированной популяции водяной блохи Daphnia pulex. Этот крошечный рачок, едва видимый невооруженным глазом, играет ключевую роль в пресноводных экосистемах и служит уникальной моделью для изучения естественного отбора.

Их выводы, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, основаны на десятилетнем исследовании. Используя передовые геномные методы, команда проанализировала образцы ДНК почти от 1000 дафний.

Они обнаружили, что сила естественного отбора на отдельные гены значительно меняется от года к году. Это поддерживает генетическое разнообразие и потенциально усиливает способность адаптироваться к будущим изменениям условий среды, предоставляя сырой материал для действия отбора.

В казалось бы стабильной среде наблюдается значительное колебание частоты вариантов генов (аллелей) в определенных хромосомных регионах с течением времени, даже если общая сила отбора в среднем за многие годы близка к нулю. Это говорит о том, что такая генетическая вариация позволяет популяциям оставаться адаптивными.

«Это исследование впервые позволило нам увидеть, какие временные изменения в частотах генов происходят даже в кажущихся постоянными средах — своего рода постоянное движение генетической вариации, распределенной по всему геному», — говорит ведущий автор Майкл Линч.

Сила отбора

Дафнии, форма зоопланктона, являются модельными организмами для многопоколенческих генетических исследований и тестирования токсичности в пресной воде из-за быстрого бесполого цикла размножения и чувствительности к загрязнителям.

Большинство исследованных участков генома дафний испытывали меняющееся давление отбора в течение периода исследования. В среднем эти давления имеют тенденцию уравновешиваться, давая небольшой общий эффект. Это означает, что ни одно направление отбора не доминирует постоянно.

Эти результаты бросают вызов традиционному представлению о том, что измерение генетического разнообразия и генетической дивергенции может легко показать, как последовательно действует естественный отбор.

Переосмысление генетической вариации

Исследование является новаторским, точно определяя, когда и где давление отбора возникает в геноме. Многолетний общегеномный анализ показывает, что большинство генетических сайтов испытывают изменчивый отбор со средним эффектом, близким к нулю. Это указывает на отсутствие постоянного давления отбора в разное время и его распределение по многим геномным регионам.

Эти выводы ставят под сомнение обычное понимание генетического разнообразия и дивергенции как индикаторов случайного генетического дрейфа и интенсивности отбора.

Вариация и выживание

Наблюдаемые паттерны отбора предоставляют механизм поддержания генетического разнообразия, необходимого для быстрой адаптации. Исследование также показало, что гены, расположенные близко друг к другу на хромосомах, имеют тенденцию эволюционировать согласованно. Такая сцепленность позволяет полезным комбинациям вариантов генов наследоваться вместе, потенциально ускоряя адаптацию.

Этот эффект может помочь объяснить, как виды иногда адаптируются быстрее, чем ожидают ученые. С другой стороны, это же явление может привести к увеличению частоты вредных аллелей, «подтянутых» сцепленными полезными аллелями, что в некоторых случаях снижает общую эффективность отбора.

Эволюция более динамична и сложна, чем считалось ранее. Влияние среды на гены меняется часто, что, возможно, помогает видам сохранять генетическое разнообразие, необходимое для адаптации к будущим условиям.

Хотя исследование было сосредоточено на Daphnia pulex, его выводы могут иметь значение для понимания того, как другие виды могут реагировать на быстрые изменения среды, включая вызванные деятельностью человека. Оценка стабильности частот аллелей в более стабильных средах — важный предварительный шаг.

Понимание того, как эволюционируют дафнии, может дать представление об устойчивости целых экосистем и помочь предсказать последствия изменений среды для биоразнообразия и пищевых сетей.