Смак отрути розвивається у плодових мух
Ноа К. Уайтмен
кафедра інтегративної біології Каліфорнійського університету, Берклі, Каліфорнія, 94720;
Ендрю Д. Глосс
b Департамент екології та еволюційної біології, Університет Арізони, Тусон, Арізона, 85721
Внески автора: N.K.W. та А.Д.Г. написав роботу.
Еволюція непередбачувана. Щоб проілюструвати це, Стівен Дж. Гоулд одного разу запропонував мислительний експеримент: перемотати стрічку життя до точки далекого минулого, натиснути кнопку відтворення і спостерігати за результатом. «Будь-який перегляд стрічки, - припускав він, - призведе до еволюції шляхом, корінно відмінним від фактично пройденої дороги» (1). Однак природа завалена прикладами незалежних організмів, що мають подібні фенотипи (2). Примирення непередбачуваності еволюції з тим, що подібні риси з’являються знову і знову незалежно, є важливим завданням для еволюційних біологів.
Повторна еволюція рис, конвергентна еволюція, може бути результатом двох або більше ліній, що самостійно пристосовуються до подібних середовищ (2). Хоч би простий цей факт, залишається багато критичних питань, особливо на генетичному рівні. Головним серед них є те, наскільки випадки конвергентної еволюції покладаються на молекулярний (генетичний) паралелізм: процес, завдяки якому зміни в одних і тих же генах призводять до подібних фенотипів у різних родах. У PNAS, Yassin et al. (3) використовувати методи в еволюційній геноміці, включаючи новий статистичний інструмент, який вони винайшли, для дослідження молекулярних основ конвергентної еволюції у двох видів плодових мух, які самостійно еволюціонували, спеціалізуючись на одних і тих же плодах, що виробляють токсини. Важливо те, що це відкриття та подальше розуміння спираються на нашу постійну здатність досліджувати та вивчати біосферу нашої планети.
Історія, розкрита Ясіном та співавт. (3) починається приблизно 30000 років тому. У цей час популяція досить звичайної плодової мухи Drosophila yakuba вторглася на острів Майотт (рис. 1А), розташований у Мозамбіцькому руслі Індійського океану приблизно посередині між Північним Мозамбіком і Північним Мадагаскаром (3). Щоб поставити цей часовий проміжок у перспективу, Homo sapiens в Європі почав малювати подоби тварин, на яких вони полювали - і які полювали на них - у печерах поблизу Шове, Франція, приблизно в той же час (4). Морські люди та види рослин, які вони вирощували, ще не заселять Майотту принаймні ще 25000 років (5). Десь після початкової колонізації мухами популяція Майотти D. yakuba почала пристосовуватися до життя на гниючих плодах ноні (рис. 1Б). Ноні - рослина з тієї ж родини, що і кава (Rubiaceae), що називається Morinda citrifolia, і зустрічається в прибережних районах Індійського океану. У його плодах міститься токсин, октанонова кислота, який не переноситься більшістю комах. Ясін та ін. (3) встановили, що майоттська Якуба зараз не тільки переносить токсин ноні, але віддає перевагу плодам ноні перед фруктами інших видів рослин.
(А) Острів Майотта. Зображення надано Неллі Гідашевський. (B) Самка D. yakuba на плодах ноні (Morinda citrifolia). Зображення надано Джоном Пулом.
Висновки Yassin et al. (3) є чудовим прикладом швидкої адаптації організмів до нових, стресових середовищ. Вони також виявляють ймовірний випадок надзвичайної спеціалізації дієти: D. yakuba харчується гниючими плодами з майже 30 видів рослин на материковій частині Африки, але харчується лише ноні на Майотті (3). Тут варто відзначити той факт, що спеціалізація плодових мух на ноні розвивалася двічі: один раз на Майотті і один раз на Сейшельських островах.
Приблизно 500 000 років тому, приблизно в той час, коли Хомо еректус створив перші відомі геометричні гравюри на черепашці на Яві (6), популяція Drosophila simulans вторглася на Сейшельські Острови і згодом еволюціонувала, спеціалізуючись на ноні. Популяція Сейшельських островів D. simulans врешті-решт розійшлася до такої міри, що гібриди з D. simulans відносно безплідні, і це, поряд з іншими доказами, заслужило позначення лінії Сейшельських островів як відмінного виду від D. simulans, званого Drosophila sechellia, який є добре вивченою моделлю екологічного видоутворення. Примітно, що геномна архітектура адаптації до токсинів, що виробляються ноні, була відображена у D. sechellia (7).
Як еволюційні біологи можуть відносно неупереджено шукати цілі геноми для паралельних генетичних змін, що лежать в основі фенотипової конвергенції? Популяційна геноміка, вивчення варіації послідовності ДНК серед особин у популяції, пропонує потужний перший крок. У міру того, як популяція пристосовується до нового середовища, генетичні варіанти («алелі»), що надають переваги в цьому середовищі, зростають у популяції. Цей процес залишає характерні сліди у закономірностях генетичних змін у геномі (12). Пошук цих слідів є потужним способом виявлення генів-кандидатів, що беруть участь в адаптації, які можна охарактеризувати в подальших функціональних дослідженнях. На жаль, геномні сліди адаптації з часом зникають, тому популяційна геноміка є корисним інструментом лише для розкриття генетичної основи відносно недавніх адаптацій (13, 14). Однак випадки фенотипової конвергенції, в яких одна лінія еволюціонувала ознаку нещодавно, дозволяє поширити уявлення з геноміки популяцій на віддалені таксони з конвергентними ознаками.