Изменения в одном гене цветового зрения демонстрируют конвергентные эволюционные адаптации у далеко друг от друга видов и в совершенно разных временных масштабах, согласно исследованию, опубликованному 11 апреля в журнале открытого доступа PLOS Biology Дэвидом Маркесом из Университета Виктория, Британская Колумбия, и коллеги. Исследование, объединившее генетический анализ с 19-летним селекционным экспериментом, подтверждает идею о том, что механизмы адаптивной эволюции могут быть более предсказуемыми, чем предполагалось ранее.
За последние 12 000 или более лет виды трехиглых колюшек колонизировали сотни пресноводных озер архипелага Хайда-Гвайи у побережья Британской Колумбии, образуя независимо развивающиеся популяции. Озера можно в широком смысле разделить на «чистую воду», в которой свет полного спектра проходит относительно беспрепятственно, или «черную воду», в которой большая часть видимого света поглощается растворенными танинами, создавая почти ночную среду с тусклым красным светом. смещенный свет, просачивающийся сверху.
Конусные клетки, ответственные за цветовое зрение в сетчатке колюшки, содержат SWS2, белок опсин, чувствительный к синему свету. Ранее было показано, что аминокислотные изменения в SWS2 «настраивают» этот опсин, делая его более чувствительным либо к синему, либо к красному концу спектра. В текущем исследовании авторы сравнили генетические последовательности SWS2 у морских, чистоводных и черноводных колюшек, включая группу черноводных рыб, которых они пересадили в пустое озеро с чистой водой 19 лет назад и оставили там для эволюции.
Исследователи обнаружили, что картина генетических изменений в SWS2, наблюдаемая у черноводных колюшек, подразумевает наличие очень сильного отбора на настройку красного смещения, максимизирующую чувствительность опсина в темной воде; у чистоводных колюшек такой закономерности не наблюдалось. У черноводных рыб, пересаженных в чистое озеро, всего через 13 поколений многие представители популяции содержали альтернативные версии SWS2, которые были более чувствительны к более обильному синему свету их новой среды обитания, демонстрируя быстрый эффект этого селективного давления.
Далее авторы сравнили свои результаты по колюшке с ранее опубликованными генами опсина у двух родственных видов рыб (синий киллифиш и черный лещ), отделенных от колюшки миллионами лет, которые также адаптировались к среде обитания с черной и чистой водой. У этих рыб есть две отдельные копии гена SWS2 - SWS2A и SWS2B, возникшие в результате древнего события дупликации гена 198 миллионов лет назад у предка всех рыб с колючими плавниками. Примечательно, что два одинаковых генетических изменения, наблюдаемых у колюшки SWS2, также отличают SWS2A (красное смещение) и SWS2B (синее смещение) этих видов рыб, с которыми они в последний раз имели общего предка много миллионов лет назад. Поскольку одни и те же генетические изменения возникли отдельно у их предков и у колюшек, они демонстрируют конвергентную эволюцию, но в совершенно разных временных масштабах.
«Эти данные подтверждают появившееся в эволюционной биологии представление о том, что механизмы, лежащие в основе адаптивной эволюции, часто очень повторяемы и, следовательно, могут быть предсказуемы», - сказал Маркес. «Они показывают, что эволюционная «переделка» с ограниченным набором инструментов может привести к конвергентным «решениям» общих проблем как внутри видов, так и между отдаленными группами».