Биологи-дарвинисты из Массачусетского университета (США), провели исследование, которое показало как мутация всего в одном гене во время процесса развития, может привести не только к появлению различных форм черепа и челюсти, но и определить рацион, позволяя занять определенную нишу в животном мире.
Препарат черепно-лицевой скелета цихлиды с брюшной стороны.
Кость окрашена красным, а хрящь — синим.
Фото: R. Craig Albertson
Исследование цихлиды, проведенное биологом-дарвинистом Йинаном Ху (Yinan Hu) и его помощником Крейгом Альбертсоном (Craig Albertson), это один из первых шагов, направленных на определение влияния изменения одного гена на признак и функции.
Как говорит Альбертсон, до сих пор эволюционная биология развития была сосредоточена на связи генетических изменений с эволюцией различных анатомических форм, или морфологии, и не преуспела в определении того, как эти изменения влияли на поведение организмов в окружающей среде. Это оставляло пробел в понимании того, что позволяет видам адаптироваться в новой среде.
«Не форма организма определяет его пригодность к окружающей среде, а то, как организм взаимодействует с окружающей средой, определяет его выживаемость. Форма это лишь часть, а функция приближает нас к пониманию того, насколько животное вписывается в окружение. Я думаю, что в нашем исследовании мы углубили наши знания о том, как гены и генетические вариации влияют на экологическую пригодность», — говорит Крейг Альбертсон .
В своей работе, Ху и Альбертсон совместили традиционное генетическое картирование и экспериментальную эмбриологию, чтобы показать как изменение в гене ptch1 («patch1»), входящем в сигнальный путь, влияют на развитие черепа и челюсти африканских цихлид, приводят к внешним изменениям. Они также смоделировали череп этих рыб, чтобы показать, как эти генетические изменения и их анатомические последствия определяют механизм питания.
Африканские цихлиды — это идеальная модельная система для изучения того, как образуется и развивается биоразнообразие, по словам Альбертсона это связанно с «беспрецедентным количеством их видов, развившихся за короткое время».
«Patch1 — это хорошо изученный ген, связанный с различными аспектами строения организмов во время развития. Мы показали то, как различные изменения этого гена влияют на череп, который в свою очередь должен влиять на то, как рыба живет. Одна форма гена позволяет рыбе быстрее двигать челюстью, таким образом, ей проще ловить быструю жертву. Другая – делает челюсть более медленной, но более мощной, что лучше для поимки добычи покрупнее. Это происходит благодаря изменению сразу многих костей в голове. Другими словами, эти простые модификации позволяют организмам занять другую экологическую нишу», — говорит Ху.
Для этих экспериментов Ху и Альбертсон рассматривали череп рыбы не просто как набор костей, связок и мышц, а как динамическое механическое устройство, способное выполнять сложный диапазон движений. В частности они применяли основу механической инженерии: шарнирный четырехзвенник – простую подвижную цепочку с четырьмя суставами, для понимания того, как генетические изменения черепа влияют на движения челюстей.
Череп рыбы — это сложный динамический механизм, с множеством костей, способных двигаться независимо друг от друга. Биологи использовали концепции механической инженерии, чтобы разобраться в этом. Ху и Альбертсон отмечают в исследовании, что изменения в гене ptch1 приводят к изменению длины двух из трех подвижных звеньев этой четырехзвенной системе. В результате получаются две различных формы черепа с различной кинематической схемой, или геометрией движения челюстями.
Говоря об этих изменениях в форме и кинематической схеме черепа, Альбертсон добавляет: «Влияние различных вариаций ptch1 на развитие челюсти может помочь объяснить, как эта группа смогла образовать такое количество видов в такой короткий период времени. Одно генетическое изменение влияет на множество элементов скелета, таким образом, меняя механизм питания. Естественному отбору не нужно координировать изменения сразу в нескольких генах, чтобы дать видам возможность адаптироваться к новой среде. Небольшого количества изменений, скорее всего, достаточно для того, чтобы конкурирующие виды попадали в разные ниши, создавая возможность для сосуществования. В этом истинная суть биоразнообразия – насколько эффективно виды способны адаптироваться в меняющихся условиях».
Описанное влияние ptch1 на развитие цихлид ограничено лишь нижней челюстью, в другой недавней работе, опубликованной в Nature Communications, Альбертсон и его коллеги демонстрируют то, как изменения другом молекулярном пути – Wnt/β катенине, могут привести к функциональным изменениям верхней челюсти цихлида.
Статья опубликована в интернет-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
По материалам Phys.Org.
Источник: Е. Яковлев nauka21vek.ru
