Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

—————

Брачного партнера выбирают по микрофлоре

Один из самых ярких экспериментов по «искусственному видообразованию» провела в конце 1980-х годов Диана Додд из Йельского университета (Dodd, 1989). Она взяла восемь линий мух Drosophila pseudoobscura, происходящих от одной природной популяции, и поместила их в стрессовые условия: четыре линии были посажены на диету из мальтозы, четыре — на крахмал. Затем были проведены тесты на избирательность при спаривании. Оказалось, что у мух всего за один год (не более 2–3 десятков поколений) сформировалась сильная положительная ассортативность (предпочтение своих) при выборе партнера: мальтозные мухи предпочитали спариваться с мальтозными, крахмальные — с крахмальными. Как и почему сформировались такие предпочтения, было неясно, ведь мух отбирали не на привередливость в отношении брачного партнера и все восемь лабораторных линий жили в изоляции друг от друга. Избирательность сформировалась автоматически, как побочное следствие адаптации к разным средам.

Схема эксперимента Додд (1989). Мухи Drosophila pseudoobscura, в течение нескольких поколений привыкавшие к жизни на двух нестандартных средах (крахмале и мальтозе), в дальнейшем предпочитали скрещиваться только со «своими», т. е. с мухами, приспособившимися к такому же корму. Из: Куликов, Марков, 2009.

Этот и другие подобные эксперименты поставили перед исследователями два основных вопроса.

1. Почему после адаптации к жизни в контрастных условиях насекомые начинают предпочитать «своих» в качестве брачных партнеров? Может быть, это адаптация, позволяющая избежать «размывания» полезных комплексов аллелей, благодаря которым родители сумели выжить в стрессовых условиях?

2. Как, по каким признакам они отличают своих от чужих? Нужно заметить, что в таких экспериментах последнее поколение перед тестами на избирательность выращивают на одинаковой стандартной среде. Это важный момент. Из-за этой предосторожности мухи не могут различить друг друга ни по запаху корма (например, крахмала или мальтозы), ни по состоянию здоровья, которое сигнализировало бы о плохой или хорошей приспособленности, если бы мухи развивались на своих средах. Но мухи все равно различают своих и чужих — по каким-то изменениям, которые произошли с ними в ходе адаптации к новым условиям.

Естественно предположить, что речь идет о генетических изменениях, произошедших под действием отбора. Это могло быть, например, изменение частот каких-то аллелей, снижение генетического полиморфизма и рост гомозиготности. Однако новые эксперименты, проведенные учеными из Израиля и США, показали, что дело в данном случае не в генах самих мух, а в изменениях микрофлоры — комплекса микроорганизмов, живущих на теле и в кишечнике насекомых (Sharon et al., 2010).

Авторы повторили эксперимент Додд с небольшими изменениями. Они работали не с D. pseudoobscura, а с более изученным видом D. melanogaster. Исходную лабораторную линию разделили на две: одну выращивали на стандартном корме, основанном на кукурузной муке и патоке, другую — на крахмале, как в опытах Додд. По прошествии определенного числа поколений часть мух из каждой линии пересаживали на стандартную среду и ждали еще одно поколение, а затем проводили тесты на сексуальную привередливость.

Сначала авторы проверили, каких брачных партнеров будут выбирать мухи после 11 поколений жизни на контрастных средах. Результат получился такой же, как у Додд: мухи продемонстрировали четкую положительную ассортативность. Из 38 спариваний в 29 случаях образовались пары своих со своими (гомогамные спаривания), и только девять раз «крахмальные» мухи спарились с «паточными» (гетерогамные спаривания).

После этого эксперимент был повторен, но теперь избирательность проверяли в каждом поколении. Результаты оказались неожиданными. Положительная ассортативность не развивалась постепенно по мере адаптации мух к разным условиям. Уже после первого поколения наблюдалось предпочтение своих, и в дальнейшем оно оставалось таким же, не увеличиваясь, но и не снижаясь вплоть до 37-го поколения, когда эксперимент был прекращен. Ранее никто не наблюдал появления таких предпочтений всего за одно поколение.

Авторы провели контрольный эксперимент: две популяции мух выращивали в течение 27 поколений изолированно, но на одинаковой (паточной) среде. В этом случае ассортативность не возникла: мухи одинаково охотно спаривались как со своими, так и с чужими. Значит, дело не в изолированном развитии популяций, а именно в разных условиях жизни. Такой же результат был получен и Дианой Додд: ее мальтозные мухи не делали различий между партнерами из своей линии и тремя другими мальтозными линиями; то же наблюдалось и в четырех крахмальных линиях.

Затем авторы еще раз повторили исходный эксперимент, помещая последнее поколение мух перед тестированием в пробирки со средой, содержащей антибиотик. Оказалось, что эта процедура ведет к полному исчезновению избирательности. Теперь мухи спаривались с кем ни попадя, не делая различий между своими и чужими.

Этот результат уже позволял предположить, что мухи различают своих и чужих по микрофлоре, однако его можно было интерпретировать и иначе (может быть, сами антибиотики каким-то образом делают мух неразборчивыми). В следующем эксперименте мух, обработанных антибиотиком, повторно «заражали» той или иной микрофлорой. Из крахмальной и паточной сред, в которых жили мухи, выделили бактерий и заразили ими пробирки со стерильной паточной средой. В пробирки посадили «вылеченных» антибиотиками мух, и уже через одно поколение у них восстановилась положительная ассортативность. Мухи опять стали предпочитать своих, т. е. живших на среде с такой же микрофлорой (хотя сама среда на этот раз была одинаковая).

Микрофлора крахмальных и паточных мух оказалась разнообразной. Главное различие в том, что в микрофлоре крахмальных мух примерно в десять раз больше бактерий рода Lactobacillus. Особенно бурно расплодились в крахмальных мухах микробы Lactobacillus plantarum (которые в небольшом количестве есть и у мух из исходной популяции). Эти бактерии живут в кишечнике мух, где они вырабатывают фермент амилазу, тем самым помогая хозяевам переваривать крахмал. Именно эти микробы и оказывают самое сильное влияние на выбор мухами брачных партнеров.

По-видимому, микрофлора влияет на количество и состав углеводородных феромонов, выделяемых мухами. Впрочем, не исключено, что мухи могут непосредственно детектировать присутствие бактерий или продуктов их жизнедеятельности на теле партнера. Известно, что млекопитающие определяют зараженность сородичей теми или иными бактериями при помощи специальных «иммунологических» рецепторов [81] . Может быть, и у насекомых имеется такая возможность.

Итак, выбор брачного партнера у мух зависит не только от их собственного генома, но и от симбиотических бактерий. Учитывая, что алгоритмы выбора брачного партнера могут оказывать самое радикальное влияние на ход эволюции, приходится признать, что в такой ситуации уже трудно рассматривать эволюцию мух отдельно от эволюции их бактериальных симбионтов.

Изменения среды могут приводить к быстрым изменениям состава микрофлоры у насекомых. У насекомых ассортативность вырабатывается за одно поколение, но мы должны учитывать, что у бактерий это десятки поколений. Так что времени для образования приспособленного к конкретной среде микробного сообщества предостаточно. Положительная ассортативность, в свою очередь, способствует быстрому формированию частичной презиготической изоляции, что может стать первым шагом на пути к разделению исходного вида на два.

Теперь мы знаем, что именно меняется у мух при выращивании на контрастных средах и по какому признаку они отличают своих от чужих. Правда, по-прежнему неясно, почему они предпочитают скрещиваться с партнерами, обладающими сходной микрофлорой, и каковы молекулярные и нейрологические механизмы различения особей с разными наборами симбионтов.

—————

81

Они находятся в вомероназальном органе, о котором пойдет речь ниже.

Видообразование — личное дело каждого

Симпатрическое видообразование, по идее, должно начинаться с того, что разные особи одного и того же вида начинают приспосабливаться к разным экологическим нишам в пределах общего ареала. Приспособление должно быть сопряжено с хотя бы частичной презиготической изоляцией: это необходимо для сохранения разницы генофондов зарождающихся видов. Если изоляции не будет, любые адаптации смешаются и рассеются в общем генофонде. На первый взгляд, зарождение такой изоляции кажется чем-то невероятным, сродни знаменитому демону Максвелла. Например, если изменился стиль ухаживания самца, то должны соответствующим образом измениться и вкусы самки; если в результате мутации изменился феромон — должен адекватно измениться и рецептор, воспринимающий этот феромон. Мало того, эти сложные комплексные преобразования должны быть согласованы еще и с экологическими адаптациями, с которых все, собственно, и началось.

Опыты по «искусственному видообразованию» показали, что склонность избирательно скрещиваться с себе подобными (эндогамия) развивается всего за десяток поколений (а то и вовсе за одно поколение) под действием интенсивного отбора, в том числе в ходе приспособления к малопригодным для жизни, стрессовым условиям. Под действием отбора ускоренно формируется новый признак, а вместе с ним в качестве побочного эффекта и специфичные брачные предпочтения. Так или иначе, обладатели приобретенного новшества узнают друг друга: по микрофлоре ли, по феромонам, по каким-то другим опознавательным знакам, но находят своих и предпочитают скрещиваться с ними. И здесь рассуждения от популяционного уровня резко спускаются на уровень индивидуальный: теперь «интересы» всего генофонда смещаются в область личных, индивидуальных интересов. Как индивидууму из целого генофонда вычленить один, подходящий только ему набор генов, т. е. найти возлюбленного? Для этого у каждого индивидуума, по-видимому, имеется набор молекулярных инструментов.

Способность отличать своих от чужих — базовое свойство живых организмов.

В распознавании себе подобных участвуют, например, компоненты иммунной системы. Иммунная система имеет давнюю историю и берет начало от древнейших молекулярных систем различения своих и чужих, имевшихся уже у одноклеточных.

У позвоночных на ранних стадиях индивидуального развития формируется уникальный биохимический портрет, представляющий собой персональный набор белков главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) и связанных с ними коротких пептидов — обрезков разнообразных белков организма. Этот набор все клетки организма выставляют на своей поверхности для сканирования клетками иммунной системы (Т-лимфоцитами), как бы говоря им: «Вот это наше, запоминайте, а все остальное — чужое». И лимфоциты запоминают. Если в организме начнет производиться чужеродный белок (например, вирусный), его фрагменты тоже будут присоединены к белкам ГКГ и выставлены на поверхность клеток. И лимфоциты сразу заметят чужое присутствие. ГКГ нужен не только для борьбы с инфекциями, но и для поддержания целостности организма, предотвращения несанкционированных изменений собственных клеток (например, раковые клетки тоже в норме воспринимаются лимфоцитами как чужаки).

Иммунная система примерно в том виде, в каком мы ее знаем у человека, включая ГКГ, появилась у рыб, хотя системы распознавания «свой — чужой» имеются у всех живых существ, включая беспозвоночных, растения, одноклеточных эукариот и даже бактерий. Однако борьба с инфекциями и поддержание целостности организма не являются первейшими (читай: древнейшими) функциями этих систем. По-видимому, не менее важная их функция — подбор полового партнера на основе степени генетической близости.

У позвоночных ГКГ связан со специальным органом полового обоняния — так называемым вомероназальным органом. В вомероназальном органе есть специальные рецепторы, реагирующие на пептиды ГКГ (Leinders-Zufall et al., 2004). Именно эти пептиды составляют уникальный «персональный запах», по которому млекопитающие получают исчерпывающую информацию о своих сородичах, включая степень их родства или генетической близости.

Неслучайно у многих животных необходимой частью ухаживания является взаимное обнюхивание. У людей обонятельная идентификация сородичей происходит на бессознательном уровне, потому что нервы от вомероназального органа не идут в кору больших полушарий, а идут прямо в гипоталамус, регулирующий эмоции и гормональный фон (возможно, поэтому, у человека так мало слов — продуктов работы больших полушарий — для разных запахов). Показано, что вомероназальные рецепторы, реагирующие на пептиды ГКГ, действуют в комплексе со специальными белками ГКГ (Ishii et al., 2003). Таким образом, ключевые компоненты иммунной системы (белки и пептиды ГКГ) принимают непосредственное участие и в формировании «персонального запаха», и в его восприятии.

По-видимому, при формировании брачной пары животные тестируют потенциальных партнеров на степень генетической близости при помощи систем различения своих и чужих, включая иммунную. Некое оптимальное число «чужеродных» веществ (антигенов), содержащихся в персональном запахе партнера, повышает его привлекательность; слишком малое или слишком большое их число оказывает противоположный эффект. В этом суть «гипотезы иммунологического тестирования брачных партнеров», предложенной нами совместно с А. М. Куликовым из Института биологии развития РАН (Марков, Куликов, 2006; Куликов, Марков, 2009). Такой механизм способен обеспечить быстрое и, главное, автоматическое зарождение изоляции между группировками, подвергшимися разнонаправленному отбору. Такой отбор может автоматически вынести неизменившихся представителей предковой популяции (или групп, изменившихся в другом направлении) за пределы «иммунологического оптимума» генетической близости.

Оптимальный выбор брачного партнера — наиважнейшее условие рождения жизнеспособного потомства. В ходе эволюции развились сложные и разнообразные алгоритмы выбора партнера. Самки многих животных пытаются выбрать самых крупных, сильных и здоровых самцов, но этого мало. Самец может быть силен и крепок здоровьем, но, если он приходится самке близким родственником, спаривание с ним может привести к рождению слабого потомства (это называют инбредной депрессией). Обычно и скрещивание с очень далекой родней тоже невыгодно, потому что гибридное потомство получает случайную смесь из двух наборов генов, в каждом из которых гены были подогнаны друг к другу отбором, а у гибридов эти полезные комбинации генов разрушаются (аутбредная депрессия). Согласно теории оптимального аутбридинга, животные (и другие существа, размножающиеся половым путем) должны предпочитать партнеров с промежуточной степенью генетического родства: не слишком близких, но и не слишком дальних родственников (Bateson, 1978).

Следовательно, чтобы делать правильный выбор, живые существа должны были в ходе эволюции выработать средства, позволяющие определять степень родства с потенциальным партнером. Иммунная система — эффективное средство различения своего и чужого на биохимическом уровне — идеально приспособлена для решения этой задачи. Например, о степени родства можно судить по сходству наборов пептидов ГКГ — своих и потенциального партнера. Именно так и поступают многие позвоночные. Например, на рыбах колюшках, а затем и на других позвоночных было показано влияние пептидов ГКГ, выделяемых самцом, на выбор самкой партнера. Самки колюшек предпочитают брать в мужья не слишком близких, но и не чрезмерно дальних родственников, и это, похоже, общее правило (Milinski et al., 2005). Кстати, колюшки весьма склонны к симпатрическому видообразованию и часто образуют в озерах пары дискретных, сильно различающихся форм (см. ниже).

Не исключено, что оптимальная степень родства партнеров меняется в зависимости от ситуации. В неблагоприятных, стрессовых условиях особям может оказаться выгодно сместить свои предпочтения в сторону близкородственных скрещиваний, чтобы избежать «размывания» у потомства тех генных комплексов, которые позволили родителям выжить в этой критической обстановке. Поэтому у некоторых организмов мог выработаться механизм, смещающий брачные предпочтения в сторону выбора своих под действием стресса.

Если бы такой механизм существовал, он мог бы способствовать быстрому видообразованию, потому что группы особей, попавшие в непривычные условия и сумевшие выжить (пусть и ценой сильного сокращения численности за счет отсеивания неприспособленных генотипов), могли бы автоматически самоизолироваться от чужаков, т. е. других представителей своего вида, которые в этих стрессовых условиях не жили и, скорее всего, плохо к ним приспособлены.

Для проверки этой идеи нужно провести много экспериментов на разных объектах, но пока нам удалось поэкспериментировать только с четырьмя линиями дрозофил, подвергавшихся разным стрессовым воздействиям. Результаты экспериментов согласуются с гипотезой о смещении брачных предпочтений в стрессовых условиях (Markov et al., 2009).