Видообразование на наших глазах

В рамках работ по изучению процессов «быстрого» видообразования группа российских эволюционных биологов оценила уровень метилирования ДНК при адаптации морских форм небольшой рыбки – трехиглой колюшки к пресноводной среде, а также выявила регуляторные молекулы, обеспечивающие её адаптацию к пресной воде. 

Фенотипическое и функциональное разнообразие видов или популяций позволяет им избежать конкуренции, находясь в одной и той же экосистеме, либо завоевать новые ранее неосвоенные экологические ниши. Концепция эволюционного «прерывистого равновесия», предложенная в 1972 году палеонтологами Нильсом Элдриджем (р. 1943) и Стивеном Гулдом (1941-2002), предполагает, что длительные периоды относительно малых изменений в эволюции сменяются периодами быстрого видообразования. Подобные явления описаны для многих видов организмов, например, цихлид Великих Африканских Озер (Малави, Танганьики и Виктории), барбусов озера Тана (Эфиопия), форелей армянского озера Севан или дальневосточных гольцов.

 Лобастая цифотиляпия зебра – Cyphotilapia frontosa. Эндемик озера Танганьика. Photo by photographer, Nataly Reinch (Fotolia.com)

Быстрый процесс формообразования различных видов животных предполагает наличие специальных механизмов, участвующих в формировании морфологических и биохимических изменений. Подобные ускоренные процессы могут быть связаны как с полиморфизмом предковой формы, так и с мутациями в регуляторных участках генома, отвечающих за комплексные изменения в его экспрессии. Кроме того, важную роль имеют разнообразные эпигенетические механизмы, влияющие на быстрые морфо-физиологические изменения организма. «Быстрое» видообразование, по сути, вторичное – первоначально виды долго и нудно дивергируют на разные экологические формы обычным, «дарвиновским» способом, а затем в некоторых случаях они скрещиваются между собой, восстанавливая широкий экологический потенциал. Далее из этой гибридной формы «быстро» выщепляются специализированные формы. Данная теория предполагает, что родительская форма имеет в себе все механизмы, которые затем могут быть реализованы при меняющихся условиях среды обитания.

Для трёхиглой колюшки (Gasterosteus aculeatus), рыбы известной многим отечественным аквариумистам, такой тип видообразования (формообразования) также описан.  Данный процесс происходит в последние несколько тысяч лет во время колонизации морскими формами этого вида озер, образовавшихся в северном полушарии на исходе последнего оледенения.

 Трёхиглая колюшка – Gasterosteus aculeatus. Photo by photographer, Witold Krasowski (Fotolia.com)

В рамках работ по изучению процессов «быстрого» видообразования группой российских эволюционных биологов показана роль метилирования ДНК (модификация молекулы ДНК без изменения её нуклеотидной последовательности ДНК – примечание автора) при адаптации популяций трёхиглой колюшки к пресноводной среде. Более того, описанная авторами повышенная эпигенетическая пластичность в некоторых случаях, по-видимому, может служить в качестве компенсаторного механизма при пониженной генетической изменчивости в пресноводных популяциях этого вида.

Также в результате сравнительного анализа представителей пресноводных и морских популяций трёхиглой колюшки  учеными были обнаружены «стрессовые» микроРНК (некодирующие молекулы длиной 18—25 нуклеотидов, принимающие участие в регуляции экспрессии генов – примечание автора), а также микроРНК, обеспечивающие адаптацию к пресной воде у этого вида. 

Предполагается, что предки современной пресноводной формы трехиглой колюшки используют целый спектр приспособлений, как на генетическом, так и на фенотипическом уровне, которые позволили этому организму не только нереститься в пресных водах карельских озёр, но и завоевать их, образовав новую форму.

  Самка (сверху) и самец (снизу) трёхиглой колюшки в брачном наряде. Фото предоставлено Анной Барминцевой

Подробнее с результатами можно познакомиться в работах, вышедших во второй половине 2017 года в журналах Molecular Biology an Evolution: Artemov et al. (2017) Genome-Wide DNA Methylation Profiling Reveals Epigenetic Adaptation of Stickleback to Marine and Freshwater Conditions и Scientific Reports: Rastorguev et al. (2017) Differential miRNA expression in the three-spined stickleback, response to environmental changes.