Половое размножение получило преимущество и успешно эволюционировало из-за возможности организмов рекомбинировать различные аллели (версии гена) в последующем поколении, производя генетические вариации, которые служат основой естественного отбора и адаптации. Это общепринятое мнение. Однако в последние годы учёные стали обнаруживать, что области генома перемешиваются неравномерно. Некоторые зоны, содержащие от нескольких до сотен генов, не перетасовываются. В результате одна и та же комбинация аллелей передаётся вместе новому поколению. Эти генетические единицы, называемые супергенами, обнаружены у муравьёв, бабочек, птиц, рыб, растений и грибов. Но на настоящий момент их описана всего маленькая толика, остальные всё ещё ожидают своего открытия.
Определение супергена довольно техническое, и учёные продолжают спорить о его тонкостях, хотя сама концепция существует уже достаточно давно. «На простом уровне, – говорит Саймон Мартин, биолог-эволюционист из Эдинбургского университета, – Суперген – это группа генов, которые наследуются вместе как единое целое, часто с большим количеством другой некодирующей ДНК. Вы можете продолжать воспроизводить два различных признака с несколькими генами и не беспокоиться о том, что они смешаются», – отмечает он.
Именно супергены определяют социальную организацию сообществ древесных муравьев Formica rufa. У этого вида в хромосоме 3 находится суперген, контролирующий наличие в колониях одной или нескольких маток. Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде недавно обнаружили, что у этих муравьев есть ещё один суперген в хромосоме 9, регулирующий размер маток: одна из его версий производит мини-маток, которые примерно на 20% меньше маток нормального размера. Исследователи обнаружили, что миниатюрные матки встречаются почти исключительно в колониях, где их несколько. Версия супергена на хромосоме 9, производящая колонии с несколькими матками, тесно связана с версией супергена на хромосоме 3, создающего мини-маток.
В колониях с одной маткой новая королева достигает зрелости и отправляется в брачный полет, а затем основывает новую колонию, используя собственные биологические ресурсы (жир и мышцы) для производства первого поколения муравьёв. Маленькие королевы с меньшей вероятностью добьются успеха в создании колонии самостоятельно, потому что у них меньше метаболических ресурсов. Таким образом, меньшие по размеру матки могут выживать и размножаться только внутри колоний, где их несколько.
Учёные считают, что появление колоний с несколькими матками было необходимой предпосылкой для эволюции миниатюрных маток, которые затем могут полагаться на ресурсы рабочих муравьёв для обеспечения своего потомства. Некоторые из этих мини-маток инвестируют непропорционально много своих ресурсов в генерацию ещё более крошечных маток, не производя своей справедливой доли рабочих особей, которые вносят вклад в содержание колонии. «Мы предполагаем, что маленькие королевы могли быть социальными паразитами», – говорит энтомолог Джулия Скарпаро.
Существует несколько сотен видов неработающих социальных муравьёв-паразитов, которые живут и паразитируют на пище и рабочей силе колонии-хозяина, чтобы вырастить свой выводок. Как именно эволюционировали эти социально паразитирующие виды, до сих пор остаётся загадкой, и вполне вероятно, что тут задействованы определённые социальные супергены.
Учёные из Университета Британской Колумбии, проанализировав 1500 геномов различных популяций 3-х видов подсолнечника, определили 37 супергенов, дающие растениям комплекс признаков, обеспечивающих адаптацию к различным условиям окружающей среды. Установленные супергены определяют размер семян, период цветения и устойчивость к засухе, или способность расти на неплодородной почве. При этом самый большой из них включал в себя 1819 генов.
Данные генные комплексы помогают растениям приспособиться к определённой местности, в том числе особенностям почвы и климата. Например, популяции подсолнечника остролистного, которые произрастают вблизи морского побережья, имеют отличия по супергенам по сравнению с популяциями с прибрежных барьерных островов – у них наблюдается разница в цветении в два с половиной месяца. Собственные, уникальные супергены были обнаружены у подсолнечников, успешно освоивших и произрастающих на неплодородных песчаных дюнах.
Супергены обладают способностями передаваться между видами. Суперген подсолнечника остролистного, отвечающий за более раннее цветение, передался ему от подсолнечника однолетнего. Некоторые супергены, ныне существующие растения, получили от уже вымерших видов.
Внимание учёных-орнитологов давно привлекают стратегии спаривания ершей (Calidris pugnax). У этих птиц среднего размера, гнездящихся на болотах и влажных лугах по всей Евразии, существуют 3 разновидности самцов, отличающиеся не только по поведению в процессе брачного периода, но и по своему внешнему виду: типичные территориальные самцы, их называют независимые (84% от всех самцов в популяции), самцы-спутники (сателлиты) с белым воротником на шее (16%) и очень редкий вариант с женским оперением, самцы-трансвеститы – федеры (менее 1%).
Независимые имеют ярко окрашенные чёрные или каштановые перья, они занимают и защищают свои территории для спаривания. Эти самцы активно ухаживают за самками и проявляют высокую степень агрессии по отношению к другим самцам.
Самцы-спутники, составляющие около 16% от общей численности, обладают белым оперением, не имеют и, соответственно, не защищают своих территорий. Они пытаются спариваться с самками, посещающими территории, занятые независимыми самцами.
Третий тип самцов – постоянный имитатор самки. Эти особи маленькие, промежуточные по размеру между самцами и самками, у них нет сложного брачного оперения, как у независимых или самцов-спутников, хотя их внутренние семенники гораздо крупнее. Федеры склонны к гомосексуализму (как снизу, так и сверху с мужскими особями), причём эти гомосексуальные совокупления привлекают к току (месту проведения брачных игр) и самок, и самцов сателлитов. Эти птицы внешне и поведением мимикрируют под самок, чтобы обойти агрессивных конкурентов, влиться в женский коллектив и добиться спаривания.
Такое поведение, наряду с разницей в размере тела и поразительными отличиями в оперении, определяется супергеном. Причём фенотипы «сателлит» и «федер» обусловлены наличием инверсии, содержащей около 100 генов, произошедший в хромосоме 11 примерно 4 млн лет назад. Федеры – носители этой вариации генов. Сателлиты – более поздняя форма, возникшая в результате рекомбинации генов между исходным (независимые) и мутировавшим (федер) вариантами.
Интересно недавнее исследование, изучавшее самок, носителей гена федеры. Клеменс Кюппер из Института орнитологии Макса Планка и Дэвид Ланк из Университета Саймона Фрейзера выявили более низкий репродуктивный потенциал по сравнению с самками, у которых нет инверсии. Было установлено, что они откладывают почти в два раза меньше яиц, чем независимые. При этом из-за низкой приспособленности количество птенцов, которые доживают до взрослого возраста у самок-федеров меньше уже в восемь раз.
Фактически проявления работы супергенов учёные могли наблюдать очень давно. Ещё в середине XIX века британский натуралист Генри Уолтер Бейтс в тропических лесах Амазонки обнаружил лесных бабочек, чья яркая окраска удивительно похожа на ядовитых бабочек Heliconius, которые своим камуфляжем предупреждали и таким образом защищались от хищников. Совершенно другой неядовитый биологический вид мимикрировал под Heliconius. Биологи-эволюционисты ни тогда, ни много лет спустя не смогли объяснить, как стала возможной такая мимикрия. Для получения идеально правильных оттенков аквамарина и огненно-оранжевого в конкретных местах крыльев мимикам требовалось созвездие абсолютно точно настроенных генов. Эти черты должны были бы передаваться по наследству с идеальной точностью, поколение за поколением, чтобы сохранить маскировку под Heliconius. Возможно, настоящие бабочки Heliconius могли позволить себе немного измениться в окраске, потому что собственные токсины вновь научили бы хищников избегать их в будущем, но имитаторы должны были быть неизменно безупречными копиями. Случайные перестановки и смешивание признаков при половом размножении обязаны были быстро нарушить основные закономерности окраски. Но этого не произошло и не происходит.
Наиболее распространённым методом подавления рекомбинации в супергенах является инверсия – участок хромосомы переворачивается, и порядок генов в последовательности изменяется на противоположный. Это предотвращает рекомбинацию гомологичных областей во время мейоза (процесс клеточного деления, в результате которого образуются половые клетки). Отсутствие генетической перетасовки может объединить две мутации в разных генах, которые хорошо работают вместе. «И как только происходит что-то вроде инверсии, все генетические вариации, которые только что присутствовали с двумя полезными мутациями, теперь, по сути, навсегда связаны с ними, что-то вроде исторической случайности», – поясняет Маркус Кронфорст, изучающий супергены у бабочек в Университете Чикаго.
Во многих супергенах, включая социальный суперген муравьев, несколько генов работают вместе, функция же других до сих пор неизвестна. «У древесных муравьёв в социальном супергене содержится около 500 генов, но мы подозреваем, что лишь небольшая часть из них на самом деле напрямую влияет на численность матки в колонии, а другие факторы используются по иному назначению», – говорит Джессика Перселл, изучающая муравьёв в Калифорнийском университете в Риверсайде.
Это имеет значение для эволюции не только признаков, контролируемых супергенами, но и всех признаков, регулируемых генами, которые участвуют в процессе развития супергена. Оборотной стороной объединения полезных комбинаций является то, что со временем области подавленной рекомбинации могут накапливать плохие мутации, и их практически невозможно удалить из генофонда, потому что они связаны с другими полезными признаками в супергене.
Однако несмотря на подобные риски накопления вредных мутаций, супергены, скорее всего, имеют некий механизм очистки от них. Иначе как можно объяснить существование супергенов, к примеру, фенотипов «сателлит» и «федера» у птиц на протяжении нескольких миллионов лет?
Сегодня уже невозможно рассматривать генетический аппарат живых систем всего лишь, как флешку памяти с записанными на ней файлами-генами. Геном теперь представляется как динамическая, самоорганизующаяся система, способная к удалению, записи и передислокации своих элементов. И понимание механизма его функционирования стоит ожидать в самом ближайшем будущем. Это поможет разработать методы воздействия для профилактики и лечения целого ряда заболеваний, до сих пор неподдающихся современной терапии.
Другие материалы по теме «Современные дискутабельные вопросы биологии»:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.