МЭДИСОН - Откуда у слона появился хобот, у оленя - рога, а у гремучей змеи - погремушки, может показаться, что это разные вопросы биологии развития, но происхождение этих нововведений, судя по генам бабочек, может иметь большое значение для общий.
В выпуске журнала Science за эту неделю (22 января) ученые из Медицинского института Говарда Хьюза при Университете Висконсин-Мэдисон описывают генетический трюк, который помогает объяснить ошеломляющее разнообразие рисунков и цветов, демонстрируемых на крылья бабочки. Ученые предполагают, что тот же трюк широко используется среди животных и может быть одним из основных механизмов, помогающих объяснить, как новые морфологические характеристики - от зубов и панцирей черепахи до меха и перьев - возникают в ходе эволюции.
«Происхождение новых морфологических признаков - давняя проблема эволюционной биологии», - пишут молекулярные биологи Дэвид Н. Киз, Дэвид Л. Льюис и Шон Б. Кэрролл в статье, которая может помочь объяснить, как уникальные биты архитектуры тела добавляются спустя долгое время после того, как базовое тело животного развилось.
Новое понимание того, как животные усваивают «новинки», было получено в результате сравнения генов формирования крыльев плодовых мушек и двух очень разных видов бабочек, одного из Северной Америки и одного из Восточной Африки. Проследив генетические цепи, управляющие развитием формы и окраски крыльев, ученые из Висконсина обнаружили, что бабочки вместо того, чтобы изобретать новые гены окраски, просто повторно используют часть генетической цепи формирования крыльев, чтобы включить ферменты, производящие пигменты, отвечающие за их окраску. для украшения крыла.
В большой схеме эволюции животных, согласно Кису, аспиранту лаборатории Кэрролла, украшение крыла бабочки является гораздо более поздним изобретением, чем создание самого крыла: «Эволюция, где-то в line, взял эту систему и придумал способ ее повторного использования в совершенно новом контексте, сохраняя при этом ее первоначальную функцию».
«По нашему мнению, повторное использование генов облегчает инновации», - сказал Кэрролл, биолог, чья работа помогла выяснить роль генов в создании таких вещей, как руки, ноги и крылья.
«Эволюция, - сказал он, - работает путем интеграции наборов вещей, которые у нее уже есть. Вы используете схему снова и снова».
По словам Кэрролла, то, как бабочки кооптируют существующие генетические программы для создания рисунков глазных пятен, которые помогают им обманывать хищников, на самом деле может быть общим механизмом, который животные используют для создания «предметов роскоши - зубов, рогов, раковин, волос, окраски». - в ходе эволюции."
«Изобретение этих новинок является важным аспектом эволюции животных», - сказал Льюис, постдокторский научный сотрудник Университета Вашингтона в Мэдисоне. «Они сильно влияют на образ жизни организмов».
Более того, по словам Кэрролла, поскольку эти предметы роскоши генетически привязаны к определенному результату развития, с ними можно в дальнейшем работать на генетическом уровне для создания новых вариантов. Подумайте, например, об огромном разнообразии рисунков и цветов у бабочек или множестве рогов, которыми щеголяют разные представители семейства оленей, такие как лоси и лоси.
«Как только вы устанавливаете новую связь, она может развиваться независимо» благодаря взаимодействию развития и генетических изменений, сказал Кэрролл. «Эволюция может испортить это, изменив что-то в цепи. На концах этих (генетических) путей результат может быть очень разным».
«Одна из удивительных особенностей бабочек заключается в том, что эти генетические программы приводят к огромному разнообразию цветовых узоров, а не структур», - сказал Льюис.
«Мало кто мог предположить, - сказал Киз, - что эти красивые цветовые узоры произошли в результате тех же генетических процессов, которые все насекомые используют для формирования своих крыльев».
Соавторами статьи являются Джейн Э. Селег и Брет Дж. Пирсон, также из UW-Madison; Лиза В. Гудрич, Рональд Л. Джонсон и Мэтью П. Скотт из Медицинского исследовательского института Говарда Хьюза в Медицинском центре Стэнфордского университета; и Джули Гейтс из Медицинского института Говарда Хьюза при Университете Юты.