Эволюция под микроскопом: трёхиглая колюшка как пособие

Маленькая рыбка, трехиглая колюшка, наглядно продемонстрировала биологам механизм эволюции по Дарвину – изменение под давлением естественного отбора. Ученым удалось на генетическом уровне увидеть, как организм приобретает новые признаки и приспосабливается к новой среде обитания.

Статью с результатами исследования колюшки в бассейне Белого моря группа российских ученых опубликовала в журнале PLOS Genetics. Среди соавторов работы — сотрудники созданной по мегагранту лаборатории профессора Алексея Кондрашова на факультете биоинформатики и биоинженерии МГУ, лаборатории молекулярной генетики Всероссийского научного института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), Беломорской биологической станции МГУ, Института биологии развития РАН, Института проблем передачи информации РАН.
Трехиглая колюшка получила свое название за три шипа на спине (в наших водоемах встречается еще девятииглая, с девятью шипами). Эта рыбка изначально живет в море и приспособлена к обитанию в соленой воде. Но волею случая некоторые популяции оказываются в пресноводных озерах, они там выживают, а значит, вырабатывают приспособления к обитанию в пресной воде. У них появляются некоторые изменения во внешнем облике и поведении. А в основе этих изменений лежат мутации генов, которые в новой среде рыбам не вредны, а полезны.
Колюшка оказалась прекрасной моделью, на которой удалось в реальном времени увидеть такие вещи, которые обычно изучают лишь теоретически, максимум на бактериях.
Биологи показали, какие гены и как изменяются, чтобы колюшка могла жить в пресной воде.
Ученые секвенировали (прочитали последовательность ДНК) геном рыбок, пойманных в различных местах обитания. «Всего было изучено 8 образцов популяций, в каждом образце от 8 до 20 рыбок, — рассказывает первый автор работы, аспирант факультета биоинформатики и биоинженерии МГУ Надежда Тереханова. — Работа над проектом началась в 2010 году на Беломорской биологической станции МГУ, а в 2012 году образцы ДНК колюшки были секвенированы». Среди них были две популяции морской колюшки, выловленные в разных местах, популяции колюшки, уже давно живущей в пресноводных озерах; популяция из озера, которое стало пресным в течение последних 30 лет. И, наконец, популяции из двух бывших карьеров, в которые колюшка была заселена человеком.
Сначала биологи сравнили геном морской и пресноводной колюшки и выявили более 18 тыс. генетических отличий. Эти отличия представляют собой одиночные замены нуклеотидов (однонуклеотидный полиморфизм, SNP).
«Это как игра в Lego, — говорит заведующий лабораторией молекулярной биологи ВНИРО и руководитель работы Николай Мюге. — Чтобы сделать из торгового корабля флибустьера, не надо перебирать все с нуля, а нужно заменить несколько кирпичиков — ну там, пушки поставить, мешки убрать, и у тебя получается пиратский корабль. И так же из морской колюшки можно сделать пресноводную. Берутся кирпичики, которые в «морском» наборе есть, просто не часто встречаются. Когда рыбы заселяют пресноводное озеро, то эти редкие кирпичики оказываются под отбором, соответственно они встречаются с каждым поколением все чаще и чаще, и популяция за сотню поколений становится полностью пресноводной. А все остальные кирпичики, весь геном, остался тем же самым».
Итак, ученые нашли генетические маркеры приспособления к пресной воде. Среди измененных были гены, отвечающие за осмотическую регуляцию, гены метаболизма, гены иммунной системы, гены, участвующие в развитии нервной системы, в поведении и др. Интересно, что эти маркеры группировались в «островки» на хромосомах, и таких островков ученые насчитали 19.
Затем в разных популяциях биологи изучили, с какой частотой встречаются эти приспособительные маркеры. Как объясняет Николай Мюге, в морских популяциях колюшки их частота мала, а в пресноводных популяциях после завершения процесса адаптации составляет 80% и выше. Популяция из Ершовского озера, которое отделилось от моря и только недавно опреснилось, претерпевает эволюцию буквально на глазах. Частота пресноводных маркеров за 30 лет поднялась в ней от 5 до 32%.
Ученым повезло с тем, что им удалось закончить эволюционный эксперимент, начатый в 1978 году биологом Валерием Зюгановым. Он в научных целях заселил два искусственных карьера морской и пресноводной колюшкой в равных количествах. Они скрестились, и пошла эволюция. В этих карьерах частота пресноводных маркеров за 33 года поднялась от изначальных 50 до 70%.
«Поскольку нам было известно с точностью до дня, когда именно в карьеры заселили колюшку, мы просчитали, как изменились частоты аллелей за это время, и смогли вычислить коэффициент отбора», — продолжает Николай Мюге. Этот коэффициент характеризует давление отбора, он показывает, насколько большее преимущество получают носители одних генетических вариаций перед носителями других вариаций.
Если признак нейтральный, коэффициент отбора равен нулю, а чем он больше, тем более полезен в данных условиях.
Естественный отбор — это механизм эволюции по Дарвину. «В популяции есть небольшое количество особей, хуже других приспособленных к данным условиям среды, но обладающих признаками, благоприятными в другой среде, — объясняет Надежда Тереханова. — Попадая же в новую среду, выживают особи, у которых присутствуют эти признаки, потому что они становятся полезными в данной среде. Они оставляют потомство, которое обладает этими полезными признаками, и, таким образом, признаки закрепляются в новой популяции».
Впервые биологам удалось на примере высшего организма — на рыбах — найти участки генома, участвующие в адаптации к новой среде обитания и оценить для каждого из них силу естественного отбора в течение 33 лет. Это большой шаг вперед в изучении механизмов эволюции животных и человека и, по мнению биоинформатика Михаила Гельфанда, «биологически очень красивая задача».