Для видообразования достаточно одного гена

Многие поколения яблонной мухи-пестрокрылки Rhagolethis pomonella (на фото) живут и размножаются на одном и том же дереве. Такой изолированный жизненный цикл способствует быстрому видообразованию. (Фото © Larry Hull с сайта www.ento.psu.edu)

Группа американских микробиологов исследовала процесс видообразования, взяв в качестве модели вирусы. Ученые показали, что и лучшая приспособленность, и репродуктивная изоляция — основные предпосылки образования нового вида — обслуживаются одним и тем же единственным геном. Так что эволюция видов во многом происходит за счет многофункциональности генов.

Считается, что для образования нового вида требуется, чтобы произошли несколько взаимосвязанных событий. Во-первых, чтобы появилась полезная мутация. Во-вторых, чтобы концентрация этой мутации увеличилась в популяции. В-третьих, чтобы часть популяции с мутацией обособилась от той, что этой мутации не имеет.

Эволюционная теория предлагает несколько сценариев для этой триады. Можно сначала отделить часть популяции каким-нибудь барьером, и тогда пусть все мутации случаются по отдельности в каждой части популяции: неизбежно в этих частях появятся свои полезные свойства.

Второй сценарий предполагает изначальное появление мутации, затем избирательное скрещивание носителей мутации и, таким образом, ее сохранение и преумножение в популяции. Здесь репродуктивная изоляция появляется как следствие постоянного избирательного скрещивания. Об этом способе видообразования можно подробно прочитать в статье А. В. Маркова «Как отличить своих от чужих? Неканонические механизмы репродуктивной изоляции».

Наконец, можно представить себе, что полезная мутация служит не только экологическим патентом, но и одновременно обеспечивает репродуктивную изоляцию. Этот третий случай объединяет видообразование у многих насекомых, которые живут и размножаются на одном растении. Возьмем, например, яблонных мух-перстрокрылок Rhagoletis pomonella. Они изначально были приспособлены жить на боярышнике. Весь их жизненный цикл, от спаривания до вылупления новой генерации, проходит на одном и том же дереве. Последовательные генерации мух редко покидают облюбованное дерево. Так что такой жизненный цикл сам по себе определяет репродуктивную изоляцию, а мутации, появившиеся в этой «популяции одного дерева», накапливаются.

Для образования нового вида нужно, чтобы особи популяции «боярышниковых» мух перешли на другой вид растений и по ходу накопления мутаций разучились жить на боярышнике. Так и случилось, когда пестрокрылки освоили яблони. Теперь пестрокрылки, поселившиеся на яблоне, вряд ли встретятся с боярышниковыми. И хотя эти две формы пока являются не самостоятельными видами, а только разновидностями, вероятность завершения этого процесса образованием двух видов очень высока.

У пестрокрылок известно еще несколько видов-двойников, которые живут на разных видах растений — предположительно, видообразование у них протекало именно по описанной схеме.

Въедливый исследователь непременно задаст вопрос: ведь экологические инновации, которые мухи приобретают в результате существования многих генераций на новом растении, генетически не связаны с репродуктивной изоляцией и никак не обеспечивают необходимой специализации?

На самом деле и связаны, и обеспечивают. Это доказали американские микробиологи из Университета Северной Каролины и Йельского университета, поставив простой эксперимент на вирусах. Вирусы — прекрасная модель для исследования этого типа видообразования: подобно пестрокрылкам, вирусы «едят» и размножаются на одном и том же объекте; они обмениваются генетической информацией, имитируя половое скрещивание. Кроме того, вирусы очень быстро размножаются, так что результаты эволюции можно увидеть через короткое время, а генетическая последовательность вирусов, в отличие от пестрокрылок, сравнительно легко поддается расшифровке.

Для эксперимента ученые выбрали один из видов вирусов — бактериофаг, растущий в клетках бактерий Pseudomonas. Изначально этот бактериофаг мог расти на четырех видах бактерий, а его лабораторный мутантный штамм расширил диапазон инфекции, получив возможность заражать еще два дополнительных вида бактерий.

Именно этот мутантный штамм и высадили на клетки одного из шести возможных видов бактерий. Затем в пробирке имитировали эволюционный процесс. Каждый день — а это примерно пять генераций вирусов — вирусам устраивали обязательный для естественного отбора «эффект бутылочного горлышка», то есть сильно понижали численность популяции, давая возможность размножиться редким, но полезным генам. Новую, прореженную примерно до 300 частиц генерацию вирусов снова высаживали на клетки бактерий. Бактерии-хозяева каждый день высевались новые, то есть сами бактерии не изменялись и не влияли на эволюцию вирусов.

Таким образом, в течение месяца сменилось 150 генераций вирусов, 30 раз прошедших через бутылочное горлышко эволюции. В результате в пробирке получили новую линию вирусов, отлично приспособленную к новому хозяину: вирусы размножались в его клетках существенно быстрее, чем предковый штамм. Но зато новая линия вирусов потеряла способность заражать остальные пять видов бактерий, став узким специалистом высокого класса. То есть, по всем признакам, если бы речь шла не о вирусах, можно было бы сказать: вот он, новый вид из пробирки!

Теперь осталось посмотреть, какие измененные гены нового вирусного «вида» отвечают за высокую приспособленность, а какие — за выбор хозяина, то есть обеспечивают новой линии репродуктивную изоляцию. Выяснилось, что новая линия отличается от предковой формы мутациями в одном только гене. Это ген, кодирующий белок, ответственный за прикрепление к клетке хозяина. Естественно, в результате этой мутации вирус терял способность укореняться на бактериальной стенке и становился для данного вида бактерий безвредным.

Таким образом, эта мутация разводит по разным местам вирусов-предков и вирусов-потомков. Так что дальше эволюция предков и потомков идет обособленно. Мало того, та же самая мутация обеспечивает вирусу и ускоренный рост в клетке хозяина! Ученые это выяснили, сравнив темпы размножения носителей мутации с темпами размножения предков без этой мутации. Получается, что всего одна мутация обеспечивает и лучшую приспособленность организма, и его репродуктивную изоляцию. И не нужно никаких специальных генных хитростей, чтобы «вид» с экологическим новшеством перестал скрещиваться с менее совершенными сородичами. Это получается само собой, потому что одна мутация имеет множество следствий.

По мнению авторов статьи, им удалось наглядно показать, как очень простым, генетически экономным способом получается репродуктивная изоляция и, как следствие, в перспективе новый вид.

Возвращаясь от вирусов к пестрокрылкам, можно подозревать, что у них работает подобный механизм получения репродуктивной изоляции и новых видов.

Источник: Siobain Duffy, Christina L. Burch, Paul E. Turner. Evolution of host specificity drives reproductive isolation among RNA viruses // 2007, V. 61. № 11. P. 2614–2622.

См. также:
В. Грант. «Эволюционный процесс». 1989. Глава 24. Способы видообразования.

Елена Наймарк