Генетики из университетов Кембриджа и Антверпена обнаружили механизм, объясняющий высокую скорость эволюции отдельных биологических видов. В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Science, ученые выявили роль хромосомных инверсий – участков ДНК, которые в процессе мутации оказались перевернуты. Эти сегменты способствуют быстрой адаптации организмов к меняющейся среде и ускоряют процесс видообразования, сохраняя полезные генетические комбинации.
Озеро Малави в Восточной Африке служит одним из наиболее наглядных примеров такой динамики. Здесь более 800 видов рыб семейства цихлид произошли от общего предка за значительно меньший период времени, чем тот, который потребовался для разделения линий человека и шимпанзе. Вся эта диверсификация произошла внутри одного водоема, где разные виды цихлид заняли свои экологические ниши: одни стали хищниками, другие специализируются на поедании водорослей, планктона или поиске пищи в песке.
Для понимания причин столь быстрого разделения ученые проанализировали геномы более 1300 рыб. Исследователи обнаружили, что у некоторых видов крупные блоки ДНК на пяти хромосомах инвертированы. В обычных условиях при размножении происходит рекомбинация – процесс смешивания генетического материала обоих родителей. Однако внутри перевернутых участков такое смешивание блокируется. В результате группы генов наследуются вместе из поколения в поколение, сохраняя устойчивые наборы признаков, которые уже доказали свою эффективность.
Авторы работы называют такие связанные кластеры генов супергенами. У цихлид они играют ключевую роль в формировании межвидовых различий. Несмотря на то что разные виды могут скрещиваться между собой, инверсии ограничивают смешивание их ДНК, что помогает сохранять специфические черты. Это особенно важно в открытых водах озера, где нет выраженных физических барьеров между местами обитания.
Многие из обнаруженных супергенов влияют на характеристики, критически важные для выживания: зрение, слух и поведение. Например, рыбы, обитающие на глубине до 200 метров, сталкиваются с низким уровнем освещенности и высоким давлением. Генетические инверсии позволяют им сохранять адаптации, необходимые для жизни в таких условиях. Кроме того, эти сегменты ДНК могут выполнять функцию половых хромосом, влияя на определение пола особи, что также служит важным фактором видообразования.
Хотя исследование фокусировалось на цихлидах, хромосомные инверсии встречаются у многих животных и у человека. Ученые полагают, что понимание механизмов формирования и распространения супергенов поможет ответить на фундаментальный вопрос биологии о том, как именно на Земле возникло столь богатое видовое разнообразие.
