Ученые нашли генетическую «шпаргалку» эволюции, работающую уже 120 миллионов лет

Международная группа ученых обнаружила, что эволюция может быть гораздо менее случайной, чем предполагалось ранее. Исследование показало, что совершенно разные виды насекомых, разделенные десятками миллионов лет эволюции, продолжают использовать одни и те же генетические механизмы для формирования схожих внешних признаков. По словам исследователей, природа словно многократно обращается к одной и той же «генетической шпаргалке», повторяя проверенные решения на протяжении более 120 миллионов лет.

Работу провели специалисты University of York совместно с исследователями Wellcome Sanger Institute. Результаты опубликованы в PLoS Biology.

Исследование было посвящено конвергентной эволюции — явлению, при котором разные виды независимо друг от друга приходят к схожим биологическим решениям. В природе подобные примеры встречаются постоянно: крылья птиц и летучих мышей, обтекаемая форма тела у акул и дельфинов, одинаковые защитные окраски у неродственных животных.

Однако до сих пор ученые плохо понимали, насколько похожими оказываются генетические механизмы, стоящие за такими совпадениями.

В центре нового исследования оказались бабочки и мотыльки из тропических лесов Южной Америки. Несмотря на далекое родство, многие из этих насекомых обладают практически идентичными цветовыми узорами на крыльях. Такие рисунки служат предупреждением для хищников: яркая окраска сигнализирует птицам и другим животным о токсичности или неприятном вкусе добычи.

Подобная стратегия известна как мимикрия. Если хищник однажды запомнил опасный цветовой узор, другим видам становится выгодно копировать ту же окраску.

Ученые изучили семь различных линий бабочек и один вид дневного мотылька, пытаясь определить, какие именно гены отвечают за формирование этих похожих рисунков.

Результаты оказались неожиданными. Выяснилось, что у разных видов снова и снова используются одни и те же два гена — ivory и optix. Именно они играют ключевую роль в формировании цветовых паттернов на крыльях.

При этом различия между видами возникали не столько в самих генах, сколько в регуляторных участках ДНК. Эти области работают как своеобразные переключатели, определяющие, когда, где и насколько активно будет включаться тот или иной ген.

Особенно удивительным стало обнаружение одинакового механизма перестройки ДНК у отдаленно родственных видов. В некоторых случаях крупные участки генома буквально меняли ориентацию внутри хромосомы — процесс, известный как инверсия. И именно этот механизм оказался почти идентичным у разных линий насекомых, разделенных десятками миллионов лет эволюции.

Фактически природа многократно использовала одни и те же молекулярные инструменты для решения одинаковой задачи — создания эффективной предупреждающей окраски.

Исследователи отмечают, что обнаруженная генетическая стабильность прослеживается со времен динозавров. Это означает, что определенные эволюционные решения могут сохраняться невероятно долго и повторяться у совершенно разных организмов.

Подобные результаты меняют классическое представление об эволюции как о полностью случайном процессе. Современная биология все чаще показывает, что развитие жизни может подчиняться определенным ограничениям и закономерностям.

Иными словами, эволюция далеко не всегда «изобретает» новые решения с нуля. Гораздо чаще она повторно использует уже существующие и наиболее эффективные генетические механизмы.

С точки зрения биологии это чрезвычайно логично. Если определенный набор генов и регуляторных элементов уже доказал свою эффективность в выживании, естественный отбор будет снова и снова приводить разные виды к похожим решениям.

Особое значение открытие имеет для понимания того, как организмы адаптируются к изменениям окружающей среды. Если ученые смогут выявить повторяющиеся генетические шаблоны, это поможет лучше прогнозировать реакцию видов на климатические изменения, разрушение экосистем и другие экологические факторы.

Некоторые исследователи считают, что подобные закономерности могут существовать не только у насекомых, но и у позвоночных животных, растений и даже микроорганизмов.

Работа также подчеркивает растущую роль геномики в современной эволюционной биологии. Благодаря новым технологиям секвенирования ДНК ученые теперь способны прослеживать молекулярные механизмы эволюции с беспрецедентной точностью.

Еще несколько десятилетий назад биологи могли лишь сравнивать внешние признаки видов. Сегодня же исследователи получают возможность буквально наблюдать, какие именно участки ДНК природа использует повторно на протяжении миллионов лет.

Авторы исследования подчеркивают, что их работа — лишь начало более масштабного изучения повторяющихся генетических механизмов эволюции. В будущем ученые планируют исследовать другие группы организмов, чтобы понять, насколько универсальными являются подобные «генетические шпаргалки».

Современная наука постепенно приходит к выводу, что эволюция представляет собой гораздо более сложный и структурированный процесс, чем казалось ранее. И хотя случайные мутации по-прежнему играют важную роль, сама природа, похоже, предпочитает снова и снова использовать наиболее удачные биологические решения, проверенные сотнями миллионов лет естественного отбора.