Странствующий голубь известен огромным размером своей исторической популяции в Северной Америке (по оценкам, от 3 до 5 миллиардов) и своим быстрым исчезновением перед лицом массового истребления людьми. Тем не менее, остается загадкой, почему этот вид не смог выжить хотя бы в нескольких небольших изолированных популяциях.
Одна из теорий, которая согласуется с выводами нового исследования, опубликованного 17 ноября в журнале Science, предполагает, что странствующие голуби были хорошо приспособлены к жизни в огромных стаях, но плохо приспособлены к жизни в небольших группах, и изменение размер популяции изменился так быстро, что они не смогли адаптироваться.
«Странствующие голуби жили очень хорошо в течение десятков тысяч лет, а затем внезапно вымерли. Как это ни парадоксально, их огромный размер популяции мог быть фактором их вымирания», - говорит автор-корреспондент Бет Шапиро, профессор экологии. и эволюционной биологии в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Команда Шапиро изучила генетическое разнообразие странствующих голубей, используя ДНК, извлеченную из музейных образцов. Исследователи подтвердили более ранние наблюдения удивительно низкого генетического разнообразия в популяции странствующих голубей. Но там, где предыдущие исследователи видели свидетельства нестабильности населения, которое колебалось между максимумами и минимумами, новое исследование пришло к совершенно другим выводам.
Что мы сделали, чего не делали в предыдущем исследовании, так это изучили различия в разнообразии генома. Мы обнаружили, что в целом оно не только ниже ожидаемого, но и более изменчиво мы смогли увидеть, где эти области высокого и низкого разнообразия находятся в геноме странствующего голубя», - сказала первый автор Джемма Мюррей, научный сотрудник лаборатории палеогеномики Шапиро в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Анализ выявил закономерности в геноме странствующего голубя, указывающие на то, что низкое генетическое разнообразие вида было результатом естественного отбора, вызывающего быстрое распространение полезных мутаций в популяции и устранение плохих мутаций. Исследователи не обнаружили таких паттернов генетического разнообразия в геноме близкородственного полосатого голубя, популяция которого составляет около 2 миллионов особей, проживающих в западной части Северной Америки.
«Когда мы рассмотрели скорость адаптивной эволюции и очищающего отбора у обоих видов, мы обнаружили доказательства того, что естественный отбор привел как к более высокой скорости адаптивной эволюции у странствующих голубей, так и к более быстрому избавлению от вредных мутаций», - Мюррей. сказал.«Это именно то, что вы ожидаете увидеть, если отбор вызывает различия в генетическом разнообразии».
Когда полезная мутация распространяется в популяции, она несет с собой соседние участки ДНК, поэтому последующие поколения несут не только полезную мутацию, но и целые участки идентичной ДНК. Эти области с низким разнообразием могут быть разрушены рекомбинацией - процессом, при котором парные хромосомы обмениваются участками ДНК во время образования яйцеклеток и сперматозоидов (что объясняет, почему родители не передают потомству точные копии своих хромосом).
Рекомбинация имеет тенденцию происходить реже в середине хромосом, чем на концах, и эта тенденция особенно выражена у птиц. В геноме странствующего голубя исследователи обнаружили, что области с низким генетическим разнообразием находятся в середине хромосом, а области с более высоким разнообразием - на концах..
«На концах хромосом ничего не утаскивается вместе с полезной мутацией из-за высокой скорости рекомбинации», - объяснил Шапиро.
Когда исследователи изучили, какие типы генов свидетельствуют об адаптивной эволюции, они обнаружили, что многие из них могут быть связаны с аспектами экологии странствующих голубей и требованиями жизни в больших стаях. Среди 32 генов с убедительными доказательствами адаптивной эволюции были гены, связанные с иммунной системой и снижением стресса (большие и плотные популяции, как правило, имеют высокое бремя болезней и социального стресса), а также со способностью есть много определенных продуктов.
Эти результаты согласуются с идеей о том, что адаптация странствующих голубей к большим популяциям могла стать помехой, когда их популяция сократилась. «Наши результаты согласуются с этой историей, и мы не находим никаких доказательств того, что популяция была нестабильной до того, как люди начали на них охотиться», - сказал Мюррей.
Исследование также имеет важное теоретическое значение для популяционных генетиков. Теория популяции предсказывает, что виды с большой популяцией должны иметь большее генетическое разнообразие, чем виды с меньшей популяцией, но это предсказание предполагает, что большая часть генома эволюционирует «нейтрально» посредством генетического дрейфа, накапливая случайные мутации, не имеющие ни полезных, ни вредных последствий. Популяционные генетики часто используют модели, предполагающие нейтральную эволюцию, чтобы делать выводы об истории популяции.
«Распространено предположение, что если вид имеет низкое генетическое разнообразие, то когда-то в прошлом у него возникло узкое место в популяции», - объяснил Мюррей..
Но теоретические предсказания о взаимосвязи между размером популяции и генетическим разнообразием не подтверждаются в реальном мире. Это известно как парадокс Левонтина (в честь биолога-эволюциониста Ричарда Левонтина), и, по словам Шапиро, это может быть связано с тем, что естественный отбор более эффективен в больших популяциях и может заглушать эффекты случайных изменений, делая предположение о нейтральной эволюции недействительным.
Естественный отбор, по прогнозам, будет иметь большее влияние на большие популяции как потому, что с большей вероятностью возникают сильно полезные мутации, так и потому, что в небольших популяциях случайные события оказывают большее влияние на то, что передается следующему поколению..
Доказательства в поддержку этого объяснения парадокса Левонтина были представлены в статье 2015 года Рассела Корбетт-Детига, доцента кафедры биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Санта-Круз и соавтора новой статьи. По словам Шапиро, странствующий голубь и полосатый голубь, похожие виды с очень разными размерами популяций, предоставили прекрасную возможность проверить эту идею.
«Взаимодействие между ландшафтом рекомбинации и огромным размером популяции странствующих голубей позволяет нам увидеть, что стоит за парадоксом Левонтина», - сказал Шапиро. «У большинства видов, вероятно, можно с уверенностью предположить, что большая часть генома эволюционирует нейтрально, но для видов с очень большими популяциями мы могли бы поколебаться. Эти инструменты, которые используют генетическое разнообразие, чтобы делать выводы об исторических изменениях в размере популяции, не вообще не годится для странствующего голубя."