Ученые обнаружили "супергены", ускоряющие эволюцию рыб

Международная группа исследователей обнаружила особый генетический механизм — "суперген", который помогает объяснить, как новые виды могут появляться и эволюционировать с поразительной скоростью.

Изучив ДНК более 1300 цихлид из озера Малави в Восточной Африке, ученые выяснили, что крупные "перевернутые" участки ДНК, известные как хромосомные инверсии, действуют как эволюционные ускорители. Они позволяют этим рыбам быстро приспосабливаться к новым условиям и давать начало сотням различных видов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Вопрос о том, как на Земле возникло такое огромное разнообразие жизни, давно волнует биологов. Особенно ярко этот процесс проявляется в водах озера Малави, где более 800 видов цихлид произошли от одного предкового вида всего за несколько миллионов лет — мгновение по сравнению с эволюционным расхождением между человеком и шимпанзе. Эти рыбы демонстрируют удивительное разнообразие форм и поведения: одни являются крупными хищниками, другие питаются водорослями, просеивают песок или ловят планктон. Каждый вид занял свою экологическую нишу в пределах одного озера.

Новое исследование, проведенное учеными из Кембриджского университета и Университета Антверпена, показало, что секрет такой быстрой эволюции кроется в структуре генома цихлид. Оказалось, что у некоторых видов значительные участки ДНК на пяти разных хромосомах перевернуты. Это тип мутации, при котором фрагмент ДНК разворачивается на 180 градусов.

На первый взгляд, это простое изменение, но оно имеет серьезные последствия для эволюции.

В обычных условиях при размножении животных их ДНК подвергается рекомбинации — процессу, который смешивает генетический материал обоих родителей. Однако внутри хромосомной инверсии это смешивание блокируется. В результате комбинации генов внутри инверсии передаются как единый блок из поколения в поколение. Это сохраняет кластеры генов, иногда называемые "супергенами", которые работают вместе, поддерживая полезные адаптации без разрушения при рекомбинации.

"Это как набор инструментов, где все самое полезное собрано вместе. Такие генетические комбинации помогают рыбам приспосабливаться к разным условиям", — пояснил ведущий автор исследования Мориц Блюмер из Кембриджского университета.

Эти супергены часто контролируют ключевые признаки, такие как зрение, слух и поведение, которые критически важны для выживания в разнообразных условиях озера Малави. Например, рыбы, обитающие на большой глубине, где мало света, нуждаются в иных зрительных адаптациях, чем те, что живут у поверхности. Супергены помогают сохранять такие специализированные черты.

Также исследование показало, что хромосомные инверсии помогают видам оставаться обособленными, даже если они живут рядом и иногда скрещиваются. Инверсии предотвращают чрезмерное смешение генов, позволяя новым видам сохранять свои уникальные адаптации.

"Когда разные виды цихлид скрещиваются, целые инверсии могут передаваться между ними, принося с собой важные признаки для выживания, например, адаптацию к определенной среде. Это ускоряет эволюцию", — отметил Блюмер.

Распространение супергенов между видами, по-видимому, способствует появлению более совершенных версий рыб в ходе эволюции.

Еще одно интересное открытие заключается в том, что эти инверсии часто выступают в роли половых хромосом, определяя, станет ли рыба самцом или самкой. Поскольку половые хромосомы часто участвуют в образовании новых видов, это открытие дает новые возможности для понимания генетических основ видообразования.

Хотя исследование сосредоточено на цихлидах, хромосомные инверсии встречаются и у других животных, включая человека. "Они все чаще рассматриваются как ключевой фактор эволюции и биоразнообразия", — отметил профессор Ричард Дурбин, соавтор исследования из Кембриджа.

Работа ученых приближает науку к ответу на один из самых сложных вопросов биологии: как жизнь на Земле стала такой богатой и разнообразной.