Переработка старых генов для новых признаков: как у пчёл эволюционирует социальное поведение

Исследователи из Смитсоновского института тропических исследований (STRI) нашли доказательства в поддержку давно обсуждаемой модели эволюции. Они показали, как эволюция использует изменчивость среды, чтобы научить старые гены новым трюкам: потовые пчёлы переключаются с одиночного на социальное поведение, перепрофилируя древние наборы генов, которые изначально эволюционировали для регуляции развития других признаков.

У медоносных пчёл, муравьёв и других социальных насекомых известны разительные различия между рабочими и матками, затрагивающие их поведение, репродукцию и физическое строение. Эти различия возникают под влиянием факторов среды, таких как изменения в питании или социальных взаимодействиях. Но как реакции на среду способствуют эволюции? Этот вопрос был поставлен психологами и биологами более века назад и затем в основном игнорировался из-за сложности проверки.

Позже ему уделила серьёзное внимание почётный сотрудник STRI Мэри Джейн Вест-Эберхард в своей основополагающей книге Developmental Plasticity and Evolution (2003). Её работа привела к пересмотру роли среды в эволюции.

Хотя большинство из 20 000 видов пчёл живут всю жизнь в одиночку, высокоразвитые социальные системы эволюционировали независимо много раз. Давно предполагалось, что реакция на сигналы среды могла быть первоначальной искрой, запустившей эволюцию сложного социального образа жизни, но доказательств не хватало.

Команда работала на острове Барро-Колорадо в Панаме. Там обитает ночная потовая пчела Megalopta genalis, социальная биология которой интенсивно изучается, поскольку самки, кажется, балансируют на грани социальности. Отдельная пчела может жить одна в полой палочке или стать маткой, которая доминирует над одной, а иногда и несколькими, своими дочерьми, работающими на неё.

Сотрудник STRI Билл Вчисло объяснил, почему этот вид даёт уникальные возможности: «Большинство видов либо социальные, либо одиночные. А у видов, которые варьируют, если вы хотите сравнить социальную и одиночную формы внутри вида, они обычно живут в разных условиях, на разных высотах или широтах, поэтому у них разная диета или другие факторы среды. Но поскольку на Барро-Колорадо есть один вид, который может вести себя и социально, и одиночно, мы можем сравнить их в месте, где всё остальное одинаково: тот же сезон, тот же климат, те же растения-источники пищи, короче, та же внешняя среда».

Команда сравнила наборы генов M. genalis, вовлечённых в различные процессы, включая те, что дифференцируют социальных и одиночных особей. Они обнаружили, что гены, регулирующие социальное поведение, в основном получены путём «переделки» древних процессов развития, которые являются центральными для нормального развития молоди и определения пола. То, как пчела реагирует на разные условия среды, меняет экспрессию её генов и даёт эволюции шанс действовать на особей, которые генетически одинаковы, но ведут себя по-разному.

«Если первым шагом в эволюции нового признака всегда является появление нового генетического варианта, то мы ожидали бы, что гены, связанные с социальным поведением у этого вида, будут ограниченными по масштабу и недавно эволюционировавшими, — сказала Карен Капхейм, доцент Университета штата Юта и научный сотрудник STRI, руководившая исследованием. — Мы обнаружили прямо противоположное».

Новые признаки — даже такие сложные, как социальное поведение — могут эволюционировать через переработку старых генов. Это помогает разрешить давние дебаты среди эволюционных биологов: всегда ли первый шаг эволюции — это новый генетический вариант, возникающий в результате мутаций? Или изменчивость среды может указать путь, а генетика — подстроиться? Ответ на последний вопрос, по-видимому, «да».