'Лужа Дарвина' показывает, как могут возникать новые виды без географического разделения

Цихлиды из крошечного вулканического кратерного озера в Африке были застигнуты в процессе симпатрического видообразования, при котором новый вид эволюционирует при отсутствии географического барьера, физически отделяющего его от исходного вида. Исследование под руководством Института Сэнгера (Wellcome Trust Sanger Institute) и соавторством Бристольского университета опубликовано в журнале Science.

Учёные изучили полногеномные последовательности 146 небольших рыб из озера Массоко в Танзании шириной 700 м, чтобы ответить на два наиболее обсуждаемых вопроса в эволюционной биологии: возможно ли симпатрическое видообразование и, если да, то какие генетические и физические признаки движут этой формой эволюции (половое влечение или специализация в образе жизни, диете или других экологических факторах)?

Старший автор, профессор Джордж Тёрнер из Школы биологических наук Бангорского университета, сказал: «Идея симпатрического видообразования долгое время разделяла мнения эволюционистов. Было трудно доказать, что новые виды могут возникать, когда генетические вариации могут легко обмениваться между двумя эволюционирующими группами. Но мы застали эту форму эволюции на месте преступления, идентифицировав две разные формы рыб цихлид, которые отделяются друг от друга в озере шириной всего 700 м».

Цихлиды — ценная модель для изучения эволюции. В соседнем озере Малави обнаружены многие сотни видов цихлид, различающихся размером, формой, окраской, пищевыми привычками и экологическими предпочтениями, такими как обитание у поверхности озера или на дне. Из-за этого огромного разнообразия озеро известно как «Пруд Дарвина». В отличие от него, озеро Массоко — это «Лужа Дарвина»: гораздо более простая система с гораздо меньшим количеством видов и факторов, способствующих видообразованию.

В озере исследователи обнаружили две значительно различающиеся формы (экоморфы) одного обычного вида цихлид. Одна экоморфа — литоральная — имеет желто-зелёных самцов и обитает ближе к берегам озера. Другая форма — бентическая — имеет тёмных сине-чёрных самцов и живёт ближе ко дну озера, где уровень освещённости намного ниже. Существует множество других измеримых различий между экоморфами, например, в форме тела, челюстях и диете.

Эти различия отражаются в генетических различиях, наблюдаемых при секвенировании и сравнении полных геномов двух экоморф. Большая часть значимых генетических вариаций находилась в небольшом количестве геномных регионов, связанных со зрением (таких как родопсин и другие гены, ассоциированные с сумеречным зрением), гормональной сигнализацией, размером и формой.

Первый автор, доктор Милан Малински из Института Сэнгера и Института Гёрдона Кембриджского университета, сказал: «Одной из самых поразительных характеристик этой диверсификации является то, что в ней, по-видимому, задействовано менее 1% генома. Предыдущие ожидания заключались в том, что видообразование включает изменения во всём геноме. Однако в этом примере зарождающегося симпатрического видообразования мы обнаруживаем, что различия ограничены локализованными областями генома — так называемыми геномными островами, — которые связаны с определёнными признаками».

Запутанность ситуации в том, что ни один единственный фактор — ни генетический, ни физический — не отделяет две морфы: хотя они предпочитают разные глубины, жёлтые и синие рыбы часто встречаются вместе. Одна из теоретических моделей симпатрического видообразования предполагает, что половой отбор может усиливать различия через предпочтения при выборе партнёра. Исследователи также провели эксперименты по выбору партнёра между экоморфами в контролируемых лабораторных условиях и обнаружили некоторые различия, но опять же недостаточные, чтобы объяснить разделение сами по себе.

Старший автор, доктор Мартин Геннер из Школы биологических наук Бристольского университета, сказал: «Кажется, мы наблюдаем сложную комбинацию экологического разделения и предпочтений при выборе партнёра, которые совместно позволили двум экоморфам разделиться даже при наличии некоторого генетического обмена. Эти рыбы могут многое нам рассказать».

Заманчивая перспектива заключается в том, что эти находки в простой системе будут актуальны для понимания гораздо более богатой и драматичной эволюционной радиации в озере Малави и других великих африканских озёрах, и даже за их пределами.

Старший автор, доктор Ричард Дёрбин из Института Сэнгера, сказал: «Те же самые гены обнаруживаются у многих видов, как у рыб, так и у других позвоночных. Таким образом, механизмы, работающие в озере Массоко, вероятно, участвовали в видообразовании в более широком смысле на протяжении истории, двигая эволюцию, в которой виды могут генетически разделяться, чтобы осваивать новые экологические ниши, даже при отсутствии физического разделения».