Доказательства эволюции

Предположим, что некая мутация, случившаяся десятки миллионов лет назад, привела к появлению вполне жизнеспособного «монстра». Но как нам доказать, это этот «монстр» стал родоначальником нового надвидового таксона? Заглянуть в прошлое и реконструировать ход событий на уровне генов позволяют методы молекулярной филогенетики вкупе с генетикой развития. Сопоставляя признаки разных организмов с информацией о структуре и работе генов, регулирующих их индивидуальное развитие, ученые могут строить и проверять модели, объясняющие механизмы возникновения крупных новаций. Этот подход лежит в основе нового научного направления — эволюционной генетики развития, часто называемой «эво-дево» (evo-devo). Рассмотрим его на примерах.

Пример 1. Двусторонняя симметрия цветков Iberis.

Для Arabidopsis, пастушьей сумки и подавляющего большинства других представителей семейства крестоцветных характерны цветки с лучевой симметрией венчика. Все 4 лепестка у них одинаковы по форме и размерам, и располагаются они под прямым углом друг к другу. У растений рода Iberis (иберис или стенник), однако, мы встречаем цветки с отчетливой двусторонней симметрией: два верхних лепестка у них заметно мельче, чем два нижних. Какие же причины привели к появлению таких цветков — и как нам доказать их эволюционную преемственность с цветками других крестоцветных?

Сверху: радиально-симметричные цветки резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) Снизу: двусторонне-симметричные цветки ибериса (Iberis amara)

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно найти ген или гены, отвечающие за формирование двусторонне-симметричного венчика у Iberis. Ближайший модельный объект, по аналогии с которым можно было бы искать такие гены — это, конечно же, Arabidopsis. У него, однако, неизвестны мутации, приводящие к появлению двусторонне-симметричных цветков, а значит и гены, которые можно заподозрить в причастности к этому. Такие гены — CYCLOIDEA (CYC) и DICHOTOMA (DICH) — хорошо изучены у львиного зева Anthyrrhinum (про первый из них уже шла речь в примере с пелорическими цветками льнянки). Этот модельный объект не состоит в тесном родстве с Iberis, но именно он дал ключ к дальнейшим поискам.

Геном Arabidopsis полностью расшифрован, и в нем найден только один ген, имеющий сходную последовательность с CYC львиного зева. Этот ген, названный TCP1, в норме заметно не влияет на строение цветка резуховидки. Можно предположить, однако, что у Iberis тоже есть TCP1-подобный ген, и именно он определяет формирование двусторонней симметрии у венчика. А. Буш и С. Цахго (Busch & Zachgo, 2007) проверили эту гипотезу и подтвердили её.

У Iberis был выделен ген IaTCP1, очень близкий по своей последовательности гену TCP1 Arabidopsis. Этот ген включается на поздних этапах формирования цветка, вызывая активное деление клеток в зачатках двух нижних лепестков и, соответственно, их быстрое увеличение в размерах. В отличие от Iberis, ген TCP1 у Arabidopsis (как и CYC у львиного зева) экспрессируется на самых ранних стадиях развития цветка, когда зачатки лепестков только-только начинают формироваться. Таким образом, появление двусторонне-симметричных цветков Iberis есть результат изменения места и, главное, времени включения уже имеющегося гена.

Данный пример показывает, что весьма крупное новшество в строении цветка, позволившее выделить Iberis в самостоятельный род, возникло не ex nihilo. Если допустить версию о независимом творении этого рода, останется непонятным, почему ген IaTCP1 столь похож по своей структуре на TCP1 Arabidopsis, а они оба могут быть выявлены по сходству с CYC-подобными генами львиного зева. Конечно, мы не могли пронаблюдать сам процесс возникновения Iberis, но дошедшие до нас следы этого события недвусмысленно указывают на преемственность между этим родом и другими группами крестоцветных.

Литература

Busch A., Zachgo S. 2007. Control of corolla monosymmetry in the Brassicaceae Iberis amara. PNAS 104 (42): 16714-16719.

Пример 2. Почему у орхидей такие разнообразные цветки?

Семейство орхидные (Orchidaceae) — второе по величине среди цветковых растений. Оно насчитывает около 30 тысяч видов, поражающих разнообразием и изысканностью своих цветков. За их красотой, однако, стоит суровая утилитарность: цветок орхидеи приспособлен для опыления строго определённым опылителем (60 % видов орхидей опыляются лишь одним видом животных, главным образом насекомых). Но почему именно у орхидных (а не у лилейных, например) появлось такое разнообразие цветков? Ответ на этот вопрос дают недавние работы М. Мондрагон-Паломино с соавторами (Mondragón-Palomino & Theißen, 2008, 2009; Mondragón-Palomino, 2009), проливающие свет и на происхождение этого огромного семейства.