Используя современные молекулярные инструменты и полевые исследования, биолог из Университета Небраски в Линкольне Джей Сторц и его коллеги впервые продемонстрировали, что разные виды могут идти разными генетическими путями для развития одного и того же признака. Результаты исследования опубликованы в выпуске журнала Science от 21 октября.«В эволюционной генетике существует действительно давний вопрос о предсказуемости генетических изменений», — сказала Сторц, профессор биологических наук Сьюзен Дж.
Розовски.Другими словами, претерпели ли виды с общей полезной чертой одни и те же генетические изменения, чтобы развить эту черту? Или признак развился разными и, следовательно, непредсказуемыми генетическими путями?
Оказывается, что естественный отбор, первичный эволюционный процесс, может надежно производить схожие полезные черты у разных видов. Но на молекулярном уровне эволюционные изменения имеют тенденцию быть весьма своеобразными и, следовательно, гораздо менее предсказуемыми.Чтобы выяснить это, Сторц обратился к птицам, обитающим в Андах в Южной Америке.
Сравнивая виды высокогорных птиц с их собратьями в низинах, его команда определила, что высокогорные птицы развили красные кровяные тельца с белками гемоглобина, которые легче связывают молекулы кислорода. Эта особенность приносит пользу видам, живущим в условиях с низким содержанием кислорода, например в горах.Сторц и его команда проверили белки гемоглобина у многих видов высокогорных птиц и определили, какие различия или мутации в составе белков ответственны за высокогорный признак.
В большинстве случаев изменение функции белков у разных видов было вызвано разными мутациями.«Это указывает на то, что существует множество возможных мутаций, которые могут вызывать один и тот же фенотипический эффект (признак)», — сказал Сторц. «Мы не можем предсказать, какие именно мутации ответственны за эти изменения».
Одна из возможных причин этой изменчивости заключается в том, что в процессе эволюции гемоглобины разных видов накопили свой уникальный набор мутаций. Учитывая эти отличные генетические основы, мутация, оказывающая положительный эффект у одного вида, может иметь пагубный эффект у другого вида.Чтобы проверить эту теорию, команда Сторца использовала инструменты генной инженерии, чтобы реконструировать и воскресить белки гемоглобина нескольких видов предков птиц, включая предка, общего для всех птиц, который существовал более 100 миллионов лет назад.
Инженерия высокогорных мутаций гемоглобина в белках древних птиц привела к совершенно другим эффектам, чем у современных птиц.По мере развития эволюции во времени различные мутации накапливаются у разных видов и условий. Естественный отбор оказывает аналогичное давление на виды, чтобы они адаптировались, например, по мере продвижения на более высокие высоты, но для этого адаптация должна идти разными генетическими путями.
«Это новое явление, которое помогло выявить наши открытия», — сказал Сторц. Его команда продолжает изучать исторические влияния на генетическую адаптацию.