Оказалось, что межвидовая гибридизация (скрещивание видов) приводит к перегруппировке хромосом, как в генном трансформере, и появлению самостоятельного вида. Жизнь на Земле представлена дискретными формами животных и растений. Эти формы называются видами: например, млекопитающих известно около 5 тыс. видов, насекомых – около 1 млн видов, и новые виды открываются до сих пор.
Считается, что механизм происхождения новых видов открыл Дарвин в середине XIX века. Но отец эволюционной теории не знал, например, генетики, и поэтому теорию наследственных механизмов видообразования удалось разработать намного позже.
Две модели
В 1937 году в книге «Генетика и происхождение видов» российский учёный Ф.Г. Добржанский, работавший в США, выделил две модели образования новых видов. Первая – длительная изоляция и разделение предкового вида на два, вторая – вторичный контакт после относительно недолгой изоляции, который «подталкивает» к превращению встретившихся популяций в разные виды. Разделение популяции живых существ может быть географическим либо биологическим. Например, возник горный хребет или разлилось море, которые развели «родственников» по разным «квартирам», – и вместо одного вида животных появляются два (через сотни тысяч, а то и миллионы лет). Кроме длительной географической изоляции разных популяций одного вида может быть разделение вида и на одной территории, но при этом новые виды занимают разные экологические ниши (живут в одном «доме», но на разных «этажах»).
Лишь через 70 лет учёные СПбГУ и РАН смогли обнаружить прежде неизвестный механизм видообразования, а ещё через 10 лет – подтвердили свою гипотезу. А помогли им… синие, зелёные и рыжие бабочки-голубянки рода Agrodiaetus, обитающие на Кавказе, в Турции и Иране. Новые данные энтомологи могли добыть только в полевых исследованиях – структура ДНК довольно хрупкая, и в музейных образцах бабочек она сохраняется плохо. За последние 15 лет учёные СПбГУ провели около 40 экспедиций и побывали во всех местах, где живут голубянки рода Agrodiaetus. Результаты их многолетних исследований опубликованы в одном из наиболее авторитетных научных журналов мира – ProceedingsoftheRoyalSocietyB, который издаётся Лондонским королевским обществом.
Род бабочек-голубянок Agrodiaetus очень молод – по молекулярным данным, он возник около 3 млн лет назад, поэтому геномы этих бабочек хранят следы эволюционных событий недавнего прошлого. Процессы диверсификации были необычайно быстрыми и привели к образованию около 120 видов. Кроме того, голубянки оказались рекордсменами по числу хромосом: оно колеблется у них от 20 до 268 (у человека, для сравнения, всего 46, у шимпанзе и горилл – 48).
– В ходе исследований мы увидели географическое видообразование у голубянок по механизму последовательной колонизации в регионе Средиземноморья. Оно происходит очень медленно, и окраска крыльев бабочек при этом почти не меняется, – рассказал профессор кафедры энтомологии СПбГУ В.А. Лухтанов, руководитель научного проекта по гранту Российского научного фонда. – А что происходит в результате встречи видов «после долгой разлуки»? Запускается отбор на усиление механизмов межвидового распознавания. У видов, живущих на одной территории, более высокий уровень различий, чем у видов, живущих порознь, – например, окраска крыльев у бабочек разная, потому что она является сигналом, по которому самки распознают самцов своего вида.
…плюс третья
Изучая окраску бабочек (в том числе в ультрафиолетовом свете), энтомологи обнаружили один вид с необычными рыжими крыльями. А у большинства голубянок крылья либо синих, либо сине-зелёных, либо коричневых оттенков.
Учёные стали анализировать число хромосом в половых клетках у рыжих бабочек – их оказалось 39. Выделили два близких вида: с зелёными и синими крыльями, у тех хромосом было 27 и 68. Тогда и возникла идея, что рыжий вид голубянок – дочерний, он возник в результате гибридизации: скрещивания двух видов – синих с зелёными. Научное подтверждение этой гипотезы искали почти десять лет.
– Исследование геномов показало, что ядерный геном у рыжего вида бабочек – это смесь генов, полученных от синего и зелёного видов. Более сложные методы анализа подтвердили: крупные хромосомы попали в геном рыжих голубянок от зелёного вида, а мелкие – от синего, – объяснил профессор Лухтанов. – Получилось, что геном рыжих бабочек, как трансформер, собран из частей геномов синих и зелёных бабочек: содержание то же, а оболочка другая. Эта новая комбинация хромосом и обеспечивает стабильность дочернего вида и его репродуктивную изолированность от родительских видов.
Рыжая «дочь» синего и зелёного вида (в центре). Фото из архива В.А. ЛУХТАНОВА
Ещё недавно, до самого конца ХХ века, возможности изучения эволюции были очень ограничены, ведь эволюция – очень длительный процесс и её нельзя наблюдать глазами. А теперь учёные могут получать высоко достоверные реконструкции эволюционных процессов благодаря прорыву в молекулярной биологии (они гораздо больше знают о структуре ДНК), новым методам анализа и компьютерному моделированию сложных процессов. Филогеография позволяет выявить историю и географию возникновения видов, а методы сравнительного филогенетического анализа помогают выявлять причины и механизмы видообразования.
– Конечно, учёные не приносят нам готовую ДНК, материал для анализа надо предварительно подготовить специальным образом в зависимости от конкретной задачи исследования, – объяснила А.Ф. Сайфитдинова, директор центра коллективного пользования «Хромас» (и один из соавторов статьи в Proceedings of the Royal Society B о новом механизме видообразования). – Современное оборудование Научного парка СПбГУ, о котором лет десять назад можно было только мечтать, позволяет проводить очень тонкие исследования в области молекулярной и клеточной биологии, цитогенетики животных и человека. Искомые различия в геномах рыжих, синих и зелёных бабочек энтомологи увидели благодаря самым современным приборам и методическим решениям. Новые инструменты позволили собрать все необходимые подтверждения сделанного открытия.
Итог: вторичный контакт популяций, как оказалось, может приводить к быстрому видообразованию. По модели Добржанского, происходит усиление различий: популяции расходятся и обособляются настолько, что образуются новые виды. Но был выявлен и новый механизм видообразования в зонах вторичного контакта: появляется гибридная линия с трансформированным геномом, на её основе формируется третий, новый вид.
Для того чтобы оценить масштаб открытия энтомологов, нужно понять, что вид – это довольно крупный таксон. Со школьных лет мы помним об опытах И.В. Мичурина по скрещиванию и выведению новых сортов растений и пород животных. Но ведь новая порода коров или быков вид не порождает – это всё тот же домашний бык, подвид дикого быка (т.е. парнокопытного жвачного животного семейства полорогих). И новая порода кур – это всё тот же вид домашней птицы (класса птицы, т.е. теплокровных яйцекладущих позвоночных животных). А в роде Homo (Люди) всего один вид – Homo sapiens (человек разумный), все другие виды вымершие, в том числе и ближайший – неандертальцы. Все мы, люди всех рас и национальностей, – это один-единственный вид! А видов бабочек-голубянок – целых 120.
А можно ли с помощью механизма, открытого учёными, искусственно вывести новый вид бабочек? Профессор Лухтанов ответил, что у бабочек-голубянок рождается всего два поколения в год. А для выведения нового вида требуется порядка 20–30 генераций. Так что есть надежда, что результаты мы увидим лет через 10–15.