Как возникают и диверсифицируются новые виды в природе? Естественный отбор предлагает объяснение, но генетические и экологические условия, лежащие в основе этого механизма, до сих пор плохо изучены. Группа под руководством Абдеррахмана Кхила - старшего научного сотрудника CNRS в Институте функциональной геномики Лиона (CNRS/ENS de Lyon/Claude Bernard Lyon 1 University), или IGFL - только что выяснила, как водомерки (семейство Veliidae) из рода Rhagovelia развитые веерообразные структуры на кончиках ног. Эти конструкции позволяют им двигаться вверх по течению против течения, что выходит за рамки возможностей других водомерок, у которых нет вентиляторов. Исследователи идентифицировали два гена, до сих пор неизвестные, которые ответственны за формирование вееров ног Rhagovelia. Об их выводах сообщается в журнале Science (20 октября 2017 г.).
Rhagovelia принадлежат к группе насекомых (Gerromorpha), которые выделяются своей способностью ходить по воде. Водоотталкивающие волосы, покрывающие ноги, делают это возможным. В отличие от других Gerromorpha, Rhagovelia специализируются на передвижении по ручьям с сильным течением, используя веерообразные отростки на второй паре ног, которые действуют как плавники. Поскольку эти веера есть только у Rhagovelia, они представляют собой идеальную модель для изучения того, как в процессе эволюции формируются новые структуры или морфологические инновации..
Ученые сначала хотели узнать, какая генетическая информация запрограммировала развитие вентиляторов. Они обнаружили у Rhagovelia два ранее неизвестных гена, которые должны быть экспрессированы для появления полностью сформированных вееров. Когда эти гены отключены, Rhagovelia формирует нормальные ноги, но у них отсутствуют веера. Более глубокое исследование показало, что один из двух генов на самом деле имеет раннее происхождение, будучи унаследованным от предка насекомого. Другой ген, однако, новый: он встречается только у Rhagovelia.
Поразительное сходство между двумя генами предполагает, что генетическая мутация могла привести к возникновению гена, специфичного для Rhagovelia, путем дублирования предкового гена. Исследователи также отметили, что гены экспрессируются только в клетках на кончиках средних ножек. Это означает, что эволюция вееров включала как минимум два основных генетических события: дупликацию гена, дающую две копии у Rhagovelia; и экспрессия этих генов в клетках, дающих начало веерным. Поскольку эти пернатые отростки напоминают поклонников японских гейш, новый ген получил название гейши; и наследственный ген, мать гейши.
Команда Хилы должна была выяснить назначение этих вентиляторов и их важность для этих конкретных водомерок. Удивительно, но раговелии быстро передвигаются по стоячей воде с вентиляторами или без них. Однако на движущихся водоемах нормальные раговелии (т. е. с веерами) быстро и легко бегут вверх по течению, а безвеерные раговелии не ровня течению. Что еще? Раговелии с рудиментарными веерами справляются наполовину прилично - лучше, чем безвентиляторные раговелии, но хуже, чем особи с полностью развитыми веерами.
Эти результаты показывают, что некоторые генетические модификации могут привести к появлению новых структур, которые напрямую влияют на образ жизни организмов и дают им доступ к экологическим нишам, ранее недоступным для них.