Ученые показали, что эволюция сложных биолюминесцентных признаков может быть предсказуемой
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) нашли предварительный ответ на вопрос о предсказуемости эволюции. Генетические основы сложных признаков у головоногих могут быть предсказуемыми, поскольку они эволюционировали одинаковым образом у двух разных видов кальмаров.
Профессор UCSB Тодд Окли и его бывшая аспирантка, а ныне постдокторант Университета Нью-Гэмпшира Сабрина Панки, изучили биолюминесцентные органы — фотофоры — у гавайского кальмара-бобтейла (Euprymna scolopes) и японского кальмара-светлячка (Uroteuthis edulis). Эти два вида, используемые в суши, являются дальними родственниками. Их фотофоры содержат симбиотические светящиеся бактерии, и кальмары могут контролировать апертуру органа, модулируя количество производимого света.
Ученые секвенировали все гены, экспрессируемые в этих светящихся органах, используя современные технологии секвенирования и геномные инструменты. Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Science, показали, что генетический состав органов оказался гораздо более схожим, чем ожидалось.
«Обычно, когда два сложных органа эволюционируют отдельно, мы ожидаем, что они пройдут очень разные эволюционные пути. Неожиданно схожий генетический состав демонстрирует, что эти два вида кальмаров прошли очень похожие пути для эволюции этих признаков», — сказал Тодд Окли.
Исследователи продемонстрировали, что:
- Биолюминесцентные органы возникали у кальмаров неоднократно в ходе эволюции.
- Глобальные профили экспрессии генов (транскриптомы), лежащие в основе этих органов, поразительно — даже предсказуемо — схожи.
Для подтверждения гипотезы о конвергентном (независимом) происхождении признаков ученые привлекли статистиков из Вашингтонского университета и UCLA, которые разработали новые статистические методы.
«Я нашла некоторые отдельные гены, которые противоречили общей закономерности. Это означает, что мы больше не можем изучать всего один ген, чтобы отвечать на вопросы о генетической основе конвергенции. Мы достигли точки, где нам нужно — и мы можем — изучать их все», — отметила Сабрина Панки.
Предыдущие эксперименты указывают, что кальмары используют биолюминесценцию для камуфляжа. Свет, производимый снизу, совпадает с освещением с поверхности, что скрывает тень кальмара для наблюдателя снизу.
Выводы команды показывают, что эволюция общей экспрессии генов, лежащей в основе конвергентных сложных признаков, может быть предсказуемой. Это неожиданно, поскольку вероятность многократной эволюции сложных органов по схожим траекториям должна быть исчезающе мала. Новые биоинформатические подходы указывают, что эволюция конвергентных фенотипов связана со сходной экспрессией тысяч генов.
Эти результаты имеют широкие последствия для специалистов в областях эволюции, генетики, геномики/биоинформатики, биоматериалов, симбиоза, зоологии беспозвоночных и эволюционной биологии развития.