Биологи рассматривают эволюционные изменения с тех пор, как Чарльз Дарвин впервые объяснил их.
Используя современные молекулярные инструменты и полевые исследования, биолог из Университета Небраски-Линкольн Джей Сторц и его коллеги впервые продемонстрировали, что разные виды могут выбирать разные генетические пути для развития одного и того же признака. Выводы команды опубликованы в выпуске журнала Science от 21 октября.
«В эволюционной генетике существует действительно давний вопрос о предсказуемости генетических изменений», - сказал Сторц, профессор биологических наук Сьюзен Дж. Розовски.
Другими словами, претерпели ли виды с общим полезным признаком одни и те же генетические изменения, чтобы развить этот признак? Или эта черта развилась разными и, следовательно, непредсказуемыми генетическими путями?
Оказывается, естественный отбор, первичный эволюционный процесс, может надежно производить сходные полезные черты у разных видов. Но на молекулярном уровне эволюционные изменения, как правило, очень своеобразны и поэтому гораздо менее предсказуемы.
Чтобы выяснить это, Сторц обратился к птицам, живущим в Андах Южной Америки. Сравнивая высокогорные виды птиц с их сородичами из равнин, его команда определила, что у высокогорных птиц развились эритроциты с белками гемоглобина, которые с большей готовностью связывают молекулы кислорода. Эта черта приносит пользу видам, живущим в условиях с низким содержанием кислорода, например в горах.
Storz и его команда протестировали белки гемоглобина у многочисленных высокогорных видов птиц и определили, какие различия или мутации в составе белков ответственны за высотный признак. В большинстве случаев изменение функции белка у разных видов было вызвано разными мутациями.
«Это указывает на то, что существует множество возможных мутаций, которые могут производить один и тот же фенотипический эффект (признак)», - сказал Сторц. «Мы не можем предсказать, какие именно мутации ответственны за эти изменения». Одна из возможных причин этой изменчивости заключается в том, что в ходе эволюции гемоглобины разных видов накопили свой собственный уникальный набор мутаций. Учитывая эти различные генетические предпосылки, мутация, оказывающая благотворное влияние на один вид, может оказывать пагубное влияние на другой вид.
Чтобы проверить эту теорию, команда Сторца использовала инструменты генной инженерии для реконструкции и восстановления белков гемоглобина нескольких предковых видов птиц, включая предка, общего для всех птиц, который существовал более 100 миллионов лет назад. Внедрение высотных мутаций гемоглобина в белки древних птиц привело к совершенно другим эффектам, чем у современных птиц.
По мере того, как эволюция продвигается вперед, различные мутации накапливаются в разных видах и условиях. Естественный отбор оказывает аналогичное давление на виды, чтобы они адаптировались, например, когда они перемещаются на большие высоты, но адаптация должна идти разными генетическими путями, чтобы добраться туда.
«Это новое явление, которое помогли раскрыть наши открытия», - сказал Сторц. Его команда продолжает исследовать историческое влияние на генетическую адаптацию.