Эволюционные биологи нашли негенетический источник изменчивости видов
Эволюционные биологи уже более 100 лет сталкиваются с невысказанной проблемой: генетика может объяснить лишь небольшой процент вариаций физических признаков организмов. Новое исследование показывает, как на эту изменчивость влияет фактор среды — «странное поведение» личинок рыб цихлид на ранних стадиях развития, которое сказывается на формировании их черепно-лицевых костей.
Исследователь Крейг Альбертсон изучает африканских цихлид 20 лет как модель происхождения биоразнообразия. В новой серии экспериментов с бывшим аспирантом Инаном Ху учёные исследовали «энергичное зевание» личинок. Это поведение начинается сразу после формирования хрящевой нижней челюсти и до начала отложения костной ткани. Результаты опубликованы в Proceedings of the Royal Society B.
Гипотеза и эксперимент
Исследователи предположили, что личинки «тренируют» челюстные мышцы, создавая механическую нагрузку на места прикрепления будущих костей, что может стимулировать остеогенез. Частота зевания достигала 200 раз в минуту и варьировала у разных видов, предвосхищая различия в отложении кости в критических для открывания челюсти областях.
Генетика vs. Среда
Традиционная эволюционная генетика учит, что способность к эволюции зависит от генетической изменчивости признака. Однако для большинства признаков генетика объясняет менее 50% вариаций. Форма черепа высоко наследуема, но генетические модели объясняют лишь малую долю изменчивости в развитии костей. Лаборатория Альбертсона переключилась на изучение взаимодействия генетики и среды.
Эпигенетика в изначальном смысле
Влияние среды на развитие — это эпигенетика в её первоначальном, широком значении (термин 1940-х годов для всего, что не закодировано в последовательности нуклеотидов). Зевание — часть «очень динамичной среды развития». Кости формируются не в статичной ткани, а в ответ на сложную динамическую систему.
Эксперименты показали: замедляя скорость зевания у «быстрых» видов и ускоряя у «медленных», можно предсказуемо влиять на развитие костей.
Сравнимый эффект
Величина различий в скелетной морфологии, вызванных изменением поведения, оказалась сопоставима с предсказанной для генетических факторов.
- Генетические манипуляции за 15 лет объясняют до 20% изменчивости.
- Манипуляции с поведением (зеванием) влияют на изменчивость развития примерно на 15%.
Эффект среды оказался сравним с генетическим и высокоспецифичен для костей, важных для питания рыб.
Эволюционный смысл и механизм
Такое поведение повышает эффективность адаптации к экологической нише. Зевание предшествует формированию кости и может «запускать» костную программу развития раньше, задавая траекторию к адаптивному фенотипу.
Следующий шаг — понять, как костные клетки ощущают и реагируют на механическую среду. Исследователи показали, что сдвиги в развитии скелета, вызванные нагрузкой, связаны с различиями в экспрессии гена ptch1, который ранее был implicated в различиях формы скелета между видами.
Тот факт, что один и тот же молекулярный путь участвует в механочувствительности внутри вида и в генетическом расхождении между видами, согласуется с эволюционной теорией. При попадании в новую среду молекулы позволяют организмам адаптировать тело к новым условиям. Если среда стабильна, естественный отбор благоприятствует генетическим мутациям в этих молекулах, которые закрепляют первоначальный, преходящий ответ. Это создаёт основу для первых шагов видообразования.
«Теперь у нас есть молекулярная точка опоры для изучения этого процесса», — заключает Альбертсон.