Негласное разочарование биологов-эволюционистов за последние 100 лет, говорит Крейг Альбертсон из Массачусетского университета в Амхерсте, заключается в том, что генетика может объяснить лишь небольшой процент вариаций физических признаков организмов. Теперь он сообщает результаты экспериментов о том, как другой фактор, «причудливое поведение», который является частью среды развития ранних личинок цихлид, влияет на более поздние изменения в их черепно-лицевых костях.
Альбертсон изучал африканских цихлид в течение 20 лет в качестве модельной системы для изучения того, как возникает и поддерживается биоразнообразие, уделяя особое внимание генетическому вкладу в различия видов. В новой серии экспериментов с бывшим к.т.н. Студент Yinan Hu, в настоящее время постдокторант в Бостонском колледже, они исследовали «энергичное зияющее» поведение у личинок рыб, которое начинается сразу после формирования хрящевой нижней челюсти и до того, как начинается отложение кости. Результаты опубликованы в текущем раннем онлайн-выпуске Proceedings of the Royal Society B..
Как объясняет Альбертсон: «Мы предсказали, что детеныши рыб тренируют свои челюстные мышцы, которые должны воздействовать на кости, к которым они прикрепляются, силы, которые могут стимулировать формирование костей». Альбертсон и Ху заметили, что частота зияния, которая может достигать 200 в минуту, варьируется у разных видов «таким образом, что предвещает различия в отложении костей вокруг процессов, важных для открывания челюстей."
Альбертсон, генетик-эволюционист, говорит: «Более ста лет нас учили, что способность системы развиваться во многом зависит от количества генетических вариаций, существующих для признака. Что игнорируется, или не отмечено для большинства черт, заключается в том, что менее 50 процентов генетических вариаций обычно могут быть объяснены генетикой». Он добавляет: «Изменчивость формы черепа в высокой степени передается по наследству, так почему же мы можем найти только генетическую изменчивость, которая объясняет такую небольшую изменчивость в развитии костей? В моей лаборатории мы перешли от разработки наших генетических моделей к более тщательному изучению взаимодействие между генетикой и окружающей средой."
Как окружающая среда влияет на развитие, известно как эпигенетика в ее первоначальном и самом широком значении, указывает Альбертсон. Он отмечает, что придуманное в 1940-х годах для обозначения всего, что не закодировано в последовательности нуклеотидов, оно сузилось до обозначения того, как изменяется трехмерная структура молекулы ДНК.«Это значение верно, но оно не единственное. Мы возвращаемся к исходному определению».
В этом смысле зияние является частью «очень динамичной среды развития», отмечает Альбертсон. «Кости не формируются в статических комках ткани. Скорее, они развиваются как часть и, возможно, в ответ на очень сложную и динамичную систему». Тот факт, что виды различаются по скорости зияния, побудил исследователей проверить идею о том, что различия в развитии костей могут быть объяснены вариациями в этом поведении. «Мы провели эксперименты, чтобы увидеть, сможем ли мы замедлить темп у быстро зияющих видов и ускорить его у медленно зияющих видов, а также посмотреть, могут ли эти поведенческие манипуляции влиять на развитие костей предсказуемым образом».
Мало того, что эти эксперименты сработали, но и величина различий в морфологии скелета, вызванных этими простыми изменениями в поведении, была аналогична тем, которые, как предполагалось, были вызваны генетическими факторами. Альбертсон говорит: «Что я нахожу действительно захватывающим, так это то, что за 15 лет манипулирования генетикой развития черепно-лицевых костей мы можем объяснить до 20 процентов изменчивости, так что это скромно. около 15 процентов, что сопоставимо, почти равно генетической реакции».
Генетик добавляет: «Когда я выступаю с докладами, больше всего коллег удивляет то, что влияние окружающей среды наравне с генетическим, и что оно не является системным, а очень специфичным для важных костей рыб. кормление."
Алберстон говорит, что такое поведение имеет смысл, потому что «Природа - это эффективность. Тонкая настройка адаптивного ответа на конкретную нишу увеличивает шансы на выживание. Иногда более длинные кости лучше, и один из способов добиться этого - пнуть - запустить программу развития костей. Это поведение зияния предшествует образованию костей, поэтому оно может представлять собой способ повысить эффективность, направив животное на траекторию к адаптивному фенотипу раньше."
Он добавляет: «Это только начало. Наша область почти столетие придерживалась геноцентристского взгляда на эволюцию. другие важные источники изменчивости. Я надеюсь, что мы сможем расширить парадигму, чтобы рассмотреть контекст окружающей среды, в котором происходит развитие, потому что эффекты, вероятно, больше и шире, чем мы предсказывали».
Следующим шагом для его лаборатории будет выяснить, как стимулы окружающей среды влияют на развитие, объясняет Альбертсон. «Теперь нам нужно понять, как костные клетки ощущают и реагируют на свое механическое окружение. Какие молекулы обеспечивают это механоощущение?»
С этой целью исследователи продемонстрировали, что сдвиги в развитии скелета, вызванные механическими нагрузками, связаны с различиями в экспрессии гена ptch1, ранее участвовавшего в опосредовании межвидовых различий в форме скелета.«То, что одна и та же молекула участвует в механоощущении внутри видов и генетическом расхождении между видами, очень круто, поскольку это согласуется с эволюционной теорией», - говорит Альбертсон.
Идея состоит в том, что когда популяция животных подвергается воздействию новой среды, определенные молекулы позволяют им реагировать, приспосабливая свое тело к новым вызовам. Если новая среда стабильна, естественный отбор должен благоприятствовать генетическим мутациям в этих молекулах, которые закрепляют первоначальную временную реакцию. Эта теория устанавливает основу для начальных шагов дивергенции видов. «Мы думаем, что теперь у нас есть молекулярная опора в этом процессе», - объясняет Альбертсон. «Это захватывающие времена».