Жуки завоевали Землю, эволюционировав собственную биохимическую лабораторию

Некоторые группы организмов стали исключительно разнообразными, в то время как другие — менее, а третьи вымерли. Причины такого эволюционного успеха остаются ключевым вопросом.

Жуки — хрестоматийный пример эволюционного успеха: описано около 400 000 видов (примерно четверть всех известных форм жизни), и сотни тысяч, вероятно, еще ждут открытия.

Однако существующие гипотезы (развитие защитных надкрылий — элитр — или коэволюция с цветковыми растениями) не объясняют успех крупнейшей группы — стафилинид (Staphylinidae), или коротконадкрылых жуков. Это самое большое семейство в царстве животных (более 66 000 видов). Они имеют редуцированные надкрылья, в основном хищничают, а не питаются растениями, но при этом за последние 200 млн лет заселили все наземные экологические ниши.

Новое исследование лаборатории Джо Паркера из Калтеха, опубликованное 17 июня в журнале Cell, показывает, что ключом к успеху стала эволюция двух типов клеток, формирующих химическую защитную железу в теле этих жуков.

В 2021 году было показано, что тергальная железа на кончике брюшка состоит из двух уникальных типов клеток: одни производят токсичные соединения бензохиноны, а другие — жидкую смесь (растворитель), в которой эти токсины растворяются, создавая мощный коктейль для защиты от хищников.

В новой работе, собрав полные геномы различных видов, ученые обнаружили древний генетический «инструментарий», сформировавшийся более 100 млн лет назад и обеспечивший этим насекомым мощную химическую защиту.

Ключевое эволюционное новшество — механизм безопасного производства ядовитых бензохинонов. Жуки, подобно растениям, научились связывать токсин с молекулой сахара, делая его неактивным, и отщеплять его только при безопасной секреции за пределами собственных клеток.

«Довольно удивительно, что химически защищенные жуки собрали практически тот же клеточный механизм, что и растения, чтобы не отравлять себя собственными опасными химикатами», — говорит Джо Паркер.

Этот механизм возник в раннем меловом периоде. После его появления жуки начали диверсифицироваться на десятки или сотни тысяч видов. Это архетипичная ключевая инновация. Родственные линии стафилинид, лишенные этой железы, не достигли такого разнообразия (десятки-сотни видов).

Исследование химического состава у разных видов показало, что, хотя два типа клеток железы остались в основном неизменными, производимые ими химические вещества могут эволюционировать радикально, адаптируя жуков к разным экологическим нишам. Железу можно рассматривать как перепрограммируемую химическую лабораторию.

Например:

• Одна группа жуков, питающаяся клещами, стала использовать железу для секреции половых феромонов клещей.
• Другая группа, живущая в муравейниках, производит химические вещества, успокаивающие агрессивных рабочих муравьев, что позволяет жукам жить симбиотически и даже охотиться на них.

Ирония в том, что одна группа жуков, проникшая в общества кочевых муравьев, полностью утратила железу. Попав в защищенную «крепость» муравейника, они больше не нуждались в химической защите, и их гены, связанные с железой, накопили инактивирующие мутации.

Исследование демонстрирует, как эволюционные изменения на клеточном уровне могут иметь масштабные долгосрочные последствия для экологического и эволюционного разнообразия, внося вклад в «чрезмерную любовь природы к жукам».