В детстве Карлос Сантибанес-Лопес, выросший в Мексике, боялся скорпионов, которые часто украшали стены и потолки его дома в поисках теплого места с большим количеством еды.
Поэтому, когда проект колледжа отправил его собирать скорпионов ночью с помощью черного света, он решил столкнуться со своим двойным страхом перед скорпионами и темнотой.
«Я сделал это, и мне это понравилось», - говорит Сантибанес-Лопес, научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон. «Когда вы видите скорпиона, светящегося в темноте, это потрясающе. Я сразу же попался на крючок».
Начав углубленно изучать скорпионов, Сантибанес-Лопес пришел к выводу, что генеалогическое древо скорпионов представляет собой запутанный беспорядок. Ученые сосредоточили свою работу на нескольких опасных для человека видах, часто пренебрегая полным разнообразием около 2400 видов скорпионов. А поразительно похожие формы тела скорпионов - обычно способ отличить один вид от другого - еще больше запутали дело.
В новой работе с профессором интегративной биологии UW-Madison Прашантом Шармой Сантибанес-Лопес предпринял новую попытку распутать генеалогическое древо скорпионов, используя не форму и структуру тел паукообразных, а форму их яд.
Предсказав трехмерную форму, принятую молекулами яда десятков видов скорпионов, Сантибанес-Лопес и Шарма определили раскол, восходящий к общему предку сегодняшних скорпионов. Одна ветвь приняла немного более узкий яд. Яд другой ветви более округлый. Различные формы также лежат в основе функции яда: у каждой формы есть свои молекулярные мишени в жертве.
Это первый случай, когда форма молекул использовалась вместо анатомии для организации эволюционных отношений, предлагая новые способы распутывания множества сложных генеалогических деревьев, встречающихся в природе.
Работа опубликована 14 ноября в журнале PeerJ. Шарма и Сантибанес-Лопес сотрудничали с исследователями факультета ботаники Университета Вашингтона в Мэдисоне и Университета Северной Каролины в Шарлотте.
Исследователи использовали геномные последовательности 55 видов скорпионов и более 3000 генов для построения предварительного генеалогического древа. Дерево воссоздало основные находки из работы Шармы, выполненной в 2015 году, показывая две основные ветви, происходящие от общего предка сегодняшних скорпионов: Бутида и Иурида..
Но геномные последовательности никогда не рассказывают всей истории. Другие характеристики, обычно анатомические структуры, могут помочь определить, говорит ли ДНК правду.
«Одной из вещей, которых нам не хватало для поддержки дерева, была морфология», - говорит Шарма. «Но все скорпионы в основном выглядят одинаково. Их часто называют «живыми ископаемыми» из-за того, как мало они изменились с тех пор, как впервые эволюционировали».
Итак, Сантибанес-Лопес и Шарма обратились к яду скорпионов, одной из определяющих характеристик паукообразных. Используя известную структуру одной молекулы яда скорпиона в качестве основы, исследователи предсказали формы 41 различных ядов со всего генеалогического древа скорпионов.
Они обнаружили, что яд Iurida напоминал трехмерную часть головоломки, в то время как яд Buthida был гораздо более сферическим. Эти различные формы поддерживали и воссоздавали генеалогическое древо, развившееся из геномных последовательностей, обеспечивая физическую основу, которую просто не могла обеспечить неразличимая анатомия скорпионов..
«Мы применяем методы, разработанные для анатомических данных, и переводим их на молекулярный уровень», - говорит Шарма.
Исследователи также обнаружили, что эти яды чрезвычайно мало изменились за эоны - около 300 миллионов лет эволюции. Этот консерватизм свидетельствует о том, что форма яда ограничена постоянством молекулярных мишеней в их жертвах, где яд разрушает нервные клетки.
Поскольку форма яда несет информацию о его функции в добыче, Сантибанез-Лопес и Шарма считают, что подобные подходы могут помочь предсказать, насколько опасны те или иные виды для человека. -мировой опыт отделения легких укусов от тяжелых.
«Вы узнаете, с какими из них вы можете справиться руками», - говорит он.