Одним из наиболее интересных масштабных паттернов в эволюции является параллелизм. Например, полет эволюционировал много раз параллельно с многочисленными нелетающими организмами; у многих видов позвоночных, не являющихся рыбами, параллельно развивалось плавание. Одно исследование обнаружило параллельную эволюцию в бронежилете среди пресноводных рыбок от многочисленных морских предков.
Еще одна интересная вещь об эволюции, которая была оценена только в последние десятилетия, это тот факт, что нет простого соответствия между генами и признаками. Редко один ген определяет один признак, и редко один признак изменяется из-за одного гена. Есть десятки примеров простых отношений ген-черта, многие из которых были обнаружены много лет назад. Поскольку эти отношения было относительно легко найти и описать, наши учебники полны ими, и наше мышление о генетике долгое время основывалось на них. Но это немного похоже на то, как мы основываем нашу концепцию работы всех транспортных средств, глубоко понимая работу игрушечного универсала. Механика и техника маленькой красной повозки не помогут нам понять эскалаторы, подводные лодки или системы лунного запуска Apollo. Теперь мы думаем, что большинство генов влияют на несколько признаков, а большинство признаков затрагивают несколько генов, и что все это очень сложно.
Недавнее исследование, посвященное поведению колюшек, похоже, является примером того, как ген влияет на множество признаков.
Колюшки являются членами семейства Gasterosteidae рыб, обитающих в соленой и пресной воде. Пресноводные клюшки возникли у предков, обитавших в соленой воде, которые не имели выхода к морю менее 17 000 лет назад во многих местах в северном полушарии. По этой причине различия между пресноводными и солоноватыми откатами представляют собой недавнюю и быструю эволюцию среди хорошо известной группы видов и поэтому представляют особый интерес для ученых.
Морские колюшки имеют до 36 костных пластинок, связанных с меньшим количеством острых шипов. Эти пластины и шипы защищают рыбу от хищников, но их производство и обслуживание обходятся дорого. Костные пластины требуют дополнительного кальция, что редко встречается в некоторых средах, и они ограничивают движения тела рыбы.
У пресноводных колючек, как правило, меньше колючек и костных пластин. У некоторых есть промежуток в ряду пластин (это называют «частичным морфингом»), в то время как у других есть только несколько пластин на заднем конце рыбы («низкий морф»). В пресной воде содержится меньше кальция, чем в соленой воде, поэтому это может быть адаптацией к ограничивающему ресурсу. Кроме того, в пресноводной среде обычно меньше хищников, чем в морской среде, поэтому защитные свойства костных пластин могут быть менее важны в пресной воде; возможно, этот доспех был ослаблен естественным отбором, и со временем он был потерян во многих различных популяциях параллельно.
В исследовании 2005 года ученые изучили ген ( Eda ), который определяет рост костной пластинки, и обнаружили, что у пресноводных колючек был вариант гена, который вызывал образование меньшего количества пластин в этих популяциях. Ген Eda, вероятно, выполняет регуляторную функцию, поэтому он может определять один из ряда фенотипов от полностью бронированной версии с морской водой до двух менее бронированных версий, обнаруженных в пресной воде. Комбинация генетического и популяционного анализа привела исследователей к открытию, что большинство пресноводных колючек в Северном полушарии, которые демонстрируют потерю костных пластин, делают это, потому что все они унаследовали вариант Эда, который редко встречается в исходных популяциях морской воды. Таким образом, эта черта развивалась параллельно во многих линиях, каждая из которых происходила из разных популяций соленой воды, но она также развивалась из одной ранее существовавшей формы гена. Однако было также обнаружено, что один или несколько колюшек Северного полушария с уменьшенными костными пластинками получили эту черту от совершенно другого генетического изменения.
Таким образом, эта черта является примером особенности, определяемой более чем одним геном, и примером параллельной эволюции, происходящей более чем одним способом.
Второе исследование, о котором только что сообщили на научном собрании, рассматривает, как представляется, совершенно другой вопрос об эволюции колюшки. Большинство колючек образуют косяки, что является обычной адаптацией среди рыб, следуя принципу безопасности численности. Но есть одна популяция пресноводных клюшек, которая не формирует школы. Колючки из Пакстон-Лейк в Британской Колумбии, Канада, большую часть времени плавают в одиночестве. Вместо того, чтобы образовывать школы, они прячутся в густой растительности на дне озера Пакстон.
Исследовательская группа во главе с Анной Гринвуд из Научно-исследовательского онкологического центра им. Фреда Хатчинсона в Сиэтле разработала машину для тестирования и измерения поведения в школе при использовании колюшек. Он состоит из подвижного скопления фальшивых рыб, которые движутся вместе как роботизированная школа по кругу вокруг большого аквариума. Когда рыба из популяции косяков из школы была помещена в воду с этой машиной, они присоединились к поддельной рыбе и плавали с ними. Когда рыба из нешкольного населения была помещена в воду с этой машиной, они не учились. Эти две популяции настолько тесно связаны, что могут скрещиваться. Исследователи проверили потомство стаи и необразованной рыбы, чтобы увидеть, какое поведение будет демонстрировать каждая рыба. Как и следовало ожидать, некоторые учились, а некоторые нет. После того, как гибридные рыбы были отсортированы, их гены были исследованы, чтобы увидеть, была ли какая-то особая сигнатура, которая шла с обучением по сравнению с одиночным плаванием.
Оказывается, что ген, который, по-видимому, управляет поведением стаи у этих рыб, - это не что иное, как Эда, тот же самый ген, который контролирует количество костных пластинок.
Таким образом, обратная связь не только дает нам прекрасный пример того, как может возникнуть параллельная эволюция, но также является отличным примером гена, затрагивающего более чем одну черту. Но как это работает? У рыб, которые не имеют костных пластинок, также не развивается полноценная боковая линия. Боковая линия - это орган чувств, который есть у многих рыб и позволяет рыбе обнаруживать движение в других местах воды. Некоторые хищные рыбы используют боковую линию, чтобы найти свою добычу, другие рыбы используют боковую линию, чтобы обнаружить хищников и, таким образом, избегать становления добычей, а стачечная рыба использует боковую линию, чтобы отслеживать других рыб в школе. По-видимому, колючки с плохо развитыми боковыми линиями не могут учиться, потому что они не могут правильно чувствовать другую рыбу, с которой им нужно было бы координировать свои движения.
Источники:
Колосимо, Памела Ф., Ким Э. Хосеманн, Сарита Балабхадра, Гуадалупе Вильярреал-младший, Марк Диксон, Джейн Гримвуд, Джереми Шмутц, Ричард М. Майерс, Дольф Шлютер и Дэвид М. Кингсли. 2005. Широко распространенная параллельная эволюция у колючек с помощью повторной фиксации эктодисплазиновых аллелей Science 25 марта 2005: 307 (5717), 1928-1933.
Пенниси, Элизабет. 2012. Роботизированная рыба указывает на образование гена. Новости и анализ. Science 335 (6066): 276-277. DOI: 10.1126 / science.335.6066.276-b
