Пара генов помогла насекомым овладеть водным царством

Эволюционные новшества постоянно находятся в поле зрения современных ученых. Еще со времен великого Дарвина тема эволюции была и остается чрезвычайно актуальной. Такая наука как биология давно объяснила нам, что с помощью естественного отбора можно внести массу изменений в имеющиеся признаки особей. Однако сколько неразгаданных тайн хранит в себе теория естественного отбора. До сегодняшнего дня ученые теряются в догадках: откуда без всяких на то причин появляется новый вид особей?

Американская ассоциация содействия развитию науки в своем журнале Science попыталась дать ответ на этот непростой вопрос. Ученые высказали гипотезу о том, что к кардинальному изменению внешнего вида особей приводит всего лишь пара генов. С помощью проведенных исследований им удалось найти объяснение появлению «новшества» у некоторых видов насекомых, обитающих в водной среде.

Этот хрупкий, похожий на веер орган — уникальное образование на ножках одного из видов водомерок. Фото: А. Кила, Э. Сантос

Ученые предполагают использование данной модели для всего животного мира. С помощью геномики доказано формирование новых образований новыми генами. Для более обширного изучения этой актуальной темы в Лионском институте функциональной геномики исследовались хрупкие насекомые водного мира – водомерки.

Водомерка превосходно перемещается на поверхности тихой воды. Тропический вид насекомых Rhagovelia с ловкостью движется в быстрых водных потоках. Отличие между ними состоит в том, что у последних средняя пара ножечек имеет гибкие формирования в виде японского веера. Эти уникальные образования помогают насекомым повышать силу отталкивания за счет увеличения площади соприкосновения с водной поверхностью. Хитроумное устройство в виде «японского веера» появилось у Rhagovelia . Вопрос лишь в том, каким образом это произошло.

Для объяснения возникновения эволюционного новшества учеными Лионского института докторами Килом и Эмилией Сантос были проведены множество исследований с водомерками. Ученым потребовалось около трех лет для того, чтобы вырастить водомерок и внимательно отслеживать их жизненный цикл, начиная от яйца и заканчивая зрелой особью.

Абдеррахман Кила, специалист по геномике развития из Института функциональной геномики в Лионе, изучает, как изменение в геноме водомерок влияет на появление у них новых способностей. На фотографии он проводит исследование на местности в Белене, Бразилия. Фото: Изабелла Кордейро

С помощью результатов исследования развивающихся ножек Rhagovelia ученые пришли к выводу, что совокупность генов с большой долей активности имеют ткани так называемого веера. Как говорилось ранее, новое образование имела вторая пара ножек насекомого. Исследователи путем сравнения всех пар ножек выяснили: наивысшей активностью обладают гены именно второй пары. Сверх экспрессивностью располагают 80-90 генов этой пары.

Ученых заинтересовал такой вопрос: какая часть второй пары ножек Rhagovelia оказалась наиболее активной? С помощью научных методов удалось найти решение этой задачи. Оказалось, что активность пяти генов проявляется на конце второй ножки, откуда развивается веер. Структура кутикулы создается тремя из пяти генов данной группы. Остальные два гена – результат дубликации. Их предназначение не было известно.

Чтобы уяснить их функцию ученые пытались отыскать такие же гены у иных разновидностей животного мира. Изучая развитие генов, которыми обладают водомерки, исследователям удалось обнаружить особенный ген и узнать время его образования. Как выяснилось, водомеркам Rhagovelia   свойственно иметь мутированный ген и лишь они обладают неким «веером». Доктор Кил подметил важность нахождения гена в кончиках ножек. Это обстоятельство служит свидетельством, что именно от этих ген зависит образование «веера». Найденному гену дали название «гейша». Древний вариант называется «мать гейши».

Для изучения ответственности этих ген, ученые с помощью метода РНК-интерференции подавляли их высокую экспрессивность. В результате их действий сформировался очень небольшой по величине «веер». Структура «гейши» и «мать гейши» имеют схожесть. Различие их функций пока остается загадкой.

Следующий этап исследований эволюционного развития водомерки состоял в изучении ее поведения в водной среде. Подопытных водомерок спустили на водную поверхность, дабы узнать как им помогает их «веер». Опыт на воде проходил с тремя группами насекомых данного вида. В первую группу входили насекомые, которые были похожи с Rhagovelia, но не имели «веер» на ножках – это особи Stridulivelia. Вторая группа представляла самих Rhagovelia, у которых вследствие хирургического вмешательства удалили «веер».

Третья группа – насекомые с подавленными генами «гейша» и «мать гейши». Ученые вели наблюдение за движениями насекомых в тихом и бурящем потоке воды. Когда водная поверхность была спокойной, «веера» не помогали насекомым увеличивать свою быстроту. Водомерка с «веером» редко отталкивалась от поверхности воды. Прыжок у нее получался высоким и для этого она не прикладывая особых усилий. В бурлящем потоке воды «веер» обладает серьезным преимуществом. Он дает возможность насекомому идти наперекор течению. Насекомые без «вееров» не в состоянии одолеть такое препятствие. При отключении вышеуказанных ген у Rhagovelia появился рудимент «веера». С его помощью водомеркам вполне удавалось преодолевать слабое течение.

Исходя из этого, можно сделать определенный вывод о пользе «вееров». Они обладают очень важной для насекомого способностью – помогают Rhagovelia свободно передвигаться в потоке воды. Доказано, что насекомые без эволюционного «новшества» в виде так называемых «вееров» не смогут справиться с течением воды.

Многих ученых с мировым именем не оставили равнодушными результаты исследований докторов Лионского института. Их поразил сам подход к этим исследованиям. По мнению ученого биолога из Университета Макгилл Эхаба Абухейфа доктор Кила провел уникальные исследования с водомерками. Он смог реконструировать эволюцию «веера» и привести доказательства его экологической функции.

Работа доктора Кила впечатлила и специалистов в области биологии из Университета Дьюка. Они заявили, что открытия такого уровня – это результат работы многих ученых, которые изучают различные аспекты эволюционного развития. В своих высказываниях биологи обратили внимание на тот факт, что доктору Кила впервые в мировой практике удалось найти применение генной экспрессии для определения генетического изменения.

В настоящее время доктор Кила и его команда ищут объяснение очередной загадки эволюционного процесса: каким образом происходит взаимодействие всех остальных ген с генами «гейши» и «мать гейши». В их планы входит раскрытие всей цепочки генных модификаций, которые образовали «веерную» структуру.

После получения PhD Эмилия Сантос работала вместе с доктором Килой в его лаборатории. Их исследование было нацелено на выявление генов, ответственных за появление на ножках «вееров», позволяющих Rhagovelia лучше передвигаться по проточной воде. Фото: Мелисандра Тэфи

Некоторых ученых приводит к сомнениям то обстоятельство, что два гена участвуют в создании структуры. Они высказывают предположение о том, что «гейша» и «мать гейши» принуждают гены, работающие в другом направлении, работать вместе с ними. И все же научному миру очень интересен факт существования новых генов «гейши» и «мать гейши».

Действительность сегодняшнего дня ставит перед биологами мира актуальную задачу: отыскать неоспоримые доказательства тому, что эволюционные новшества могут появиться в результате генной кооптации. Неожиданное возникновение новых ген сможет поспособствовать образованию очень важных морфологических признаков между родственными видами.

Обсуждая тему кооптации ген, ученый Университета Макмастер Иэн Дворкин высказал интересное суждение. Он заметил, что в литературе, которая изучает биологию развития, очень много примеров генной кооптации. Генетик ставит по сомнение их достоверность. Его смущает частота кооптации генов, которая показана в данных примерах. Ученый допускает существование погрешности в расчетах и вероятность искажения данных в связи неправильным сбором информационного материала. Чтобы подтвердить версию, что найденные новые гены создают эволюционное новшество, Иэн Дворкин предлагает геном водомерки Stridulivelia, у которой нет веера, дополнить генами «гейши» и «мать гейши».

Возникает вопрос: создаст ли этот научный опыт новый морфологический признак? Эту проблему еще предстоит решить. Ясно лишь одно: открытие доктора Кола и его команды доказывает, что эволюционный процесс объединяет два метода. Это модифицирование существующих ген и создание новых образуют некую цепочку, которая ведет к образованию новой линии.

Кажется, Вам понравился этот материал, раз Вы его дочитали до конца. Пожалуйста, поделитесь с нами своими мыслями об этом?

Comment

This post doesn't have any comment. Be the first one!

hide comments
Share
...
Back

Your cart

0

Корзина пуста.

Total
0.00$
Checkout
Empty

This is a unique website which will require a more modern browser to work!

Please upgrade today!