Исследователи Сколтеха и их коллеги показали, что у биологических видов, состоящих в дальнем родстве, адаптация к схожим внешним условиям, скорее всего, достигается с помощью различных позиций генома и не связана с конвергентной молекулярной эволюцией. Ученые исследовали повторяющиеся адаптации митохондрий диких птиц к высоте, миграции, нырянию, зимовке и полету.
Исследование показало, что повторяющиеся замены в геноме − это скорее совпадение, чем результат адаптации, что подтверждает гипотезу о том, что у далеких друг от друга видов пути эволюции схожих признаков совершенно разные. Результаты работы представлены в статье, опубликованной в журнале Genome Biology and Evolution.
Для того чтобы выжить в непривычных условиях, таких как кислородное голодание, характерное для больших высот, или ускорение метаболизма при экстремальных температурах, организм вынужден адаптироваться. Если разные виды оказались в одинаковых условиях среды, каждый из них будет адаптироваться независимо, причем адаптация может происходить путем одних и тех же замен в идентичных геномных позициях. Этот процесс называют однопозиционной молекулярной конвергенцией.
«Конвергентная эволюция – один из наиболее интересных вопросов в эволюционной биологии. С практической точки зрения, она помогает найти конкретные геномные позиции, связанные с адаптацией, а с точки зрения теории, она позволяет понять, до какой степени эволюция способна повторяться. Однако, как известно, обнаружить однопозиционные мутации, вызванные конвергентной адаптацией, весьма непросто, особенно у филогенетически далеких видов, поэтому ученые до сих пор спорят о том, возможно ли это в принципе», − рассказывает аспирантка Сколтеха Валентина Бурская.
Бурская, профессор Георгий Базыкин и их коллеги подготовили обширный набор данных по 415 видам, в которых схожие признаки возникают на филогенетическом дереве десятки раз. С помощью этих данных ученым удалось глубже разобраться в проблеме адаптации: более ранние попытки обнаружить конвергентные однонуклеотидные мутации у филогенетически далеких видов основывались на использовании лишь нескольких случаев независимой адаптации к сходным условиям среды.
«Для нашего исследования мы выбрали митохондриальный геном, так как он имеет небольшие размеры, а значит уже отсеквенирован для многих видов, но при этом содержит чрезвычайно важные гены. Митохондриальные гены отвечают за реакцию на гипоксию и регулирование метаболизма. Именно этими обстоятельствами мы руководствовались, выбирая интересующие нас фенотипические признаки», − рассказывает Валентина Бурская.
Для изучения адаптации к гипоксии, ученые использовали высокогорных и ныряющих птиц. Для исследования адаптаций, затрагивающих изменение уровня метаболизма, были выбраны еще четыре группы видов: зимующие в высоких широтах, с выдающимися способностями к полету, приспособленные к сезонным миграциям, а также нелетающие. Используя методы филогенетического анализа, исследователи разместили все виды на филогенетическом дереве, а затем подсчитали синхронные изменения в фенотипе и генотипе различных видов. В конечном итоге, ученым удалось показать, что в большинстве случаев конвергенция может объясняться не адаптацией, а случайными совпадениями.
Эта работа идейно близка к недавней попытке ученых найти случаи однопозиционной конвергенции у летучих мышей и морских млекопитающих, обусловленные их адаптацией к эхолокации. Ее результаты подтверждают, что эволюционный ландшафт видов из разных отрядов слишком сильно различается, чтобы говорить об однопозиционной адаптивной конвергенции.
Исследование проводилось с участием специалистов МГУ им. М.В. Ломоносова, Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН и Гонконгского университета науки и технологий.
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
