Растения рода Scalesia, более известные как галапагосские гигантские маргаритки, в ходе своей эволюции неоднократно обретали сходные адаптивные признаки, однако далеко не всегда это происходило при участии одних и тех же генов. На фотографии, сделанной Майклом Мартином из Университетского музея NTNU, запечатлены зубчатые листья Scalesia affinis (скалезия лучистоголовая).
Международный коллектив исследователей последовательно проанализировал полные геномы всех известных видов Scalesia и установил любопытную закономерность: глубоколопастная форма листьев, помогающая растениям переносить засушливый климат, возникала в разных ветвях филогенетического древа этого рода независимо, причем каждый раз на основе различных генетических механизмов. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, проливают новый свет на явление параллельной эволюции.
Галапагосский архипелаг давно снискал репутацию уникальной естественной лаборатории, где эволюционные процессы можно наблюдать буквально в действии. Еще в 1835 году Чарльз Дарвин, путешествовавший на борту HMS Beagle, собрал на островах коллекцию птиц, которую привез в Англию. Поначалу натуралист полагал, что перед ним представители разных семейств — воробьи, дятлы, зяблики и даже синица. Однако впоследствии орнитологи выяснили, что все экземпляры принадлежат к близкородственным видам вьюрков, а различия в форме клювов возникли в результате адаптации к разнообразным источникам питания.
Именно эти вьюрки стали в итоге одним из самых веских доказательств дарвиновской теории естественного отбора. Согласно этой теории, виды постепенно изменяются под давлением окружающей среды: особи с признаками, повышающими их приспособленность, с большей вероятностью выживают и оставляют потомство. Кроме того, птицы являют собой классический пример параллельной эволюции, когда разные организмы независимо приходят к сходным биологическим решениям, хотя генетические механизмы, лежащие в основе этих решений, могут различаться.
Острова, которые продолжают удивлять: международный консорциум биологов
«Спустя более чем 150 лет после того, как наблюдения Дарвина на Галапагосах трансформировали научные представления о жизни на нашей планете, эти острова не перестают открывать перед нами новые горизонты эволюционной биологии», — подчеркивает профессор Майкл Д. Мартин из Норвежского университета науки и технологий (НТНУ).
Мартин входит в состав крупного международного консорциума, объединившего усилия специалистов из канадского ботанического сада Кью, Калифорнийского университета в Дэвисе, Копенгагенского университета, Фонда Чарльза Дарвина (Галапагосы), Университета Джорджии в Афинах, Университета Британской Колумбии, а также ряда других научных учреждений. Совместными усилиями они исследовали эволюцию Scalesia — группы растений, которые принято называть галапагосскими гигантскими маргаритками.
Стремительная радиация гигантских маргариток
Как отмечает Ванесса Бикер, первый автор нового исследования и сотрудница канадского ботанического сада Кью, эти растения, подобно знаменитым дарвиновым вьюркам, продемонстрировали стремительные эволюционные преобразования после того, как их предки попали на Галапагосы с материковой части Южной Америки. Род Scalesia считается сравнительно молодым: все ныне живущие виды возникли лишь в течение последних нескольких миллионов лет. Столь краткая эволюционная история не помешала им освоить совершенно несхожие экологические ниши — от влажных высокогорных лесов до знойных и сухих низменностей.
Внешний облик разных видов поражает воображение: здесь можно встретить и низкорослые кустарники, и высокие деревья. Наиболее разительные отличия касаются листвы — от крупных цельных пластин до мелких, глубоко рассеченных листьев, — поясняет Мартин. Нередко такие листья имеют причудливые зубчатые края. Ученые предполагают, что подобная морфология способствует выживанию в жарких засушливых условиях, поскольку помогает сохранять влагу и эффективнее отводить избыточное тепло. Вместе с тем генетическая подоплека этого феномена долгое время оставалась нераскрытой.
Сходная форма листа, разные гены
Проведя полногеномный анализ всех известных видов Scalesia, авторы работы выяснили, что глубоколопастные листья появлялись в истории рода независимо несколько раз — в различных ветвях эволюционного древа. Более того, полученные данные свидетельствуют о том, что процесс видообразования, возможно, идет прямо сейчас: многие популяции Scalesia могут представлять собой обособленные эволюционные линии, которые пока не получили официального научного статуса.
«Еще более удивительным оказалось то, что каждый раз, когда возникал этот признак, он развивался с помощью разных генов, хотя все они функционировали в рамках одной и той же биологической системы, управляющей развитием листьев», — делится наблюдениями Бикер. Она подчеркивает, что это яркий пример параллельной эволюции: природа приходит к одним и тем же решениям многократно, но каждый раз выбирает иной генетический путь, а не задействует один и тот же ген.
дним «главным геном», эволюция, по-видимому, опирается на целую сеть взаимодействующих генов, настраивая различные компоненты для получения хороших результатов».
Вместо того, чтобы опираться на один ген, определяющий форму листа, эволюция, по-видимому, модифицирует различные части более крупной генетической сети. Эти генетические изменения могут в конечном итоге привести к появлению здоровых физических черт.
Это открытие дает ученым более четкое представление о том, как сложные особенности могут время от времени возникать в несвязанных популяциях или в разных ветвях одной и той же эволюционной семьи.
Эволюция, возможно, все еще создает новые виды
Генетические данные показывают, что эволюционная история Scalesia не завершена.
"Популяции одного и того же вида демонстрируют большие генетические изменения и изоляцию друг от друга в течение длительного периода времени. Это означает, что новые виды могут находиться в процессе формирования. Многие направления Scalesia могут стать основой эволюционных линий, которые еще официально не описаны», — говорит Мартин.
Поскольку эти изолированные тенденции могут следовать разными эволюционными путями, исследователи полагают, что политика из них должна рассматриваться как отдельная природоохранная единица. Этот подход может измениться так, как защитники природы оберегают уникальные растения и экосистемы Галапагосских островов.
Исследование также дает необычайно подробное представление об адаптивной радиации — процессе, посредством которого один из предвиденных быстрых фондов образует множество форм, находящихся в разных местах обитания.
«Наши результаты демонстрируют гибкость и креативность эволюции», — сказал он. говорит Бикер.
Знаменитые коллекции птиц Дарвины были не знакомы с его открытиями на островах. Во время своего визита он также собрал множество растений. Семьдесят восемь из этих образцов позже были использованы для идентификации видов, которые были совершенно новыми для науки, включая четыре вида Scalesia .