В 1859 году Дарвин представлял эволюцию как медленный, постепенный прогресс, в котором виды накапливают небольшие изменения с течением времени. Но даже он был удивлён, обнаружив, что в летописи окаменелостей нет переходных форм: промежуточных звеньев, которые должны были бы рассказать эту историю шаг за шагом, просто не оказалось. Его объяснение было столь же неудобным, сколь и неизбежным: по сути, летопись окаменелостей — это архив, из которого вырвано большинство страниц.
В 1972 году из-за нехватки промежуточных форм палеонтологи Стивен Джей Гоулд и Найлс Элдридж предложили провокационную идею: прерывистое равновесие. Согласно этой теории, вместо того чтобы меняться медленно, виды остаются стабильными в течение миллионов лет, а затем внезапно совершают быстрые, радикальные эволюционные скачки.
Эта модель могла бы объяснить, почему летопись окаменелостей кажется такой безмолвной между видами: крупные изменения происходят внезапно и в небольших изолированных популяциях, которые не попадают в поле зрения палеонтологов. Хотя некоторые окаменелости подтверждают эту закономерность, научное сообщество по-прежнему разделено: является ли это правилом эволюции или ярким исключением?
Открытие нового механизма
Теперь исследовательская группа под руководством Института эволюционной биологии (IBE), смешанного исследовательского центра, принадлежащего Испанскому национальному исследовательскому совету (CSIC) и Университету Помпеу Фабра (UPF), впервые указывает на механизм быстрой, массовой реорганизации генома, который мог сыграть свою роль в переходе морских животных на сушу 200 миллионов лет назад.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution. Команда показала, что морские аннелиды (черви) реорганизовали свой геном сверху донизу, сделав его неузнаваемым, когда они покинули океаны. Их наблюдения согласуются с моделью прерывистого равновесия и могут указывать на то, что не только постепенные, но и внезапные изменения в геноме могли произойти, когда эти животные адаптировались к наземным условиям.
Генетический механизм
Выявленный генетический механизм может изменить наше представление об эволюции животных и революционизировать установленные законы эволюции генома.
Команда впервые секвенировала высококачественный геном различных дождевых червей и сравнила их с другими близкородственными видами аннелид (пиявками и многощетинковыми червями). Уровень точности был таким же, как при секвенировании геномов человека, хотя в этом случае всё начиналось с нуля, без существующих ссылок для изучаемых видов.
До сих пор отсутствие полных геномов препятствовало изучению закономерностей и характеристик на уровне хромосом для многих видов, ограничивая исследования небольшими масштабами — исследованиями популяций нескольких генов, а не макроэволюционными изменениями на уровне всего генома.
После сборки каждой из геномных головоломок команда смогла с большой точностью перенестись назад во времени, более чем на 200 миллионов лет, когда предки секвенированных видов были живы.
«Это важный эпизод в эволюции жизни на нашей планете, учитывая, что многие виды, такие как черви и позвоночные, которые жили в океане, впервые вышли на сушу», — комментирует Роза Фернандес, ведущий исследователь лаборатории IBE по филогеномике Metazoa и эволюции генома.
Неожиданные результаты
Анализ этих геномов выявил неожиданный результат: геномы аннелид не трансформировались постепенно, как предсказывает неодарвинистская теория, а в результате изолированных взрывов глубокой генетической перестройки.
«Огромная реорганизация геномов, которую мы наблюдали у червей при их перемещении из океана на сушу, не может быть объяснена с помощью простого механизма, предложенного Дарвином; наши наблюдения гораздо больше соответствуют теории Гоулда и Элдриджа о прерывистом равновесии», — добавляет Фернандес.
Команда обнаружила, что морские черви разбили свой геном на тысячу кусочков только для того, чтобы реконструировать его и продолжить свой эволюционный путь на суше. Это явление бросает вызов моделям эволюции генома, известным на сегодняшний день, учитывая, что если мы наблюдаем почти любой вид, будь то губка, коралл или млекопитающее, многие из их геномных структур почти идеально сохранены.
«Весь геном морских червей был разрушен, а затем реорганизован совершенно случайным образом за очень короткий период по эволюционным меркам», — говорит Фернандес. «Я заставил свою команду повторить анализ снова и снова, потому что просто не мог в это поверить».
Адаптация к жизни на суше
Причина, по которой эта радикальная деконструкция не привела к вымиранию, может заключаться в трёхмерной структуре генома. Команда Фернандеса обнаружила, что хромосомы этих современных червей гораздо более гибкие, чем у позвоночных и других модельных организмов. Благодаря этой гибкости, возможно, что гены в разных частях генома могли меняться местами и продолжать работать вместе.
Значительные изменения в их ДНК могли помочь червям быстро адаптироваться к жизни на суше, реорганизовав свои гены, чтобы лучше реагировать на новые вызовы, такие как дыхание воздухом или воздействие солнечного света.
Исследование предполагает, что эти корректировки не только перемещали гены, но и соединяли фрагменты, которые были разделены, создавая новые «генетические химеры», которые стимулировали бы их эволюцию.
«Можно подумать, что этот хаос приведёт к вымиранию линии, но, возможно, эволюционный успех некоторых видов основан на этой суперсиле», — комментирует Фернандес.
Наблюдения, представленные в исследовании, согласуются с моделью прерывистого равновесия, где мы наблюдаем взрыв геномных изменений после длительного периода стабильности. Однако отсутствие экспериментальных данных за или против — в данном случае окаменелостей возрастом 200 миллионов лет — затрудняет проверку этой теории.
Выводы
Похоже, что сохранение геномной структуры на линейном уровне — то есть там, где гены более или менее находятся в одном и том же месте у разных видов — может быть не столь существенным, как считалось ранее.
«На самом деле стабильность может быть исключением, а не правилом у животных, которые могут извлечь выгоду из более подвижного генома», — говорит Фернандес.
Это явление экстремальной генетической реорганизации ранее наблюдалось при прогрессировании рака у людей. Термин «хромоанагенез» охватывает несколько механизмов, которые разрушают и реорганизуют хромосомы в раковых клетках, где мы наблюдаем изменения, аналогичные тем, что наблюдаются у дождевых червей.
Единственная разница заключается в том, что в то время как эти геномные поломки и реорганизации переносятся червями, у людей они приводят к заболеваниям. Результаты этого исследования открывают дверь к лучшему пониманию потенциала этого радикального геномного механизма, имеющего значение для здоровья человека.
Исследование также возродило один из самых оживлённых научных споров нашего времени.
«Обе точки зрения — Дарвина и Гоулда — совместимы и дополняют друг друга. Хотя неодарвинизм может прекрасно объяснить эволюцию популяций, он ещё не смог объяснить некоторые исключительные и важные эпизоды в истории жизни на Земле, такие как первоначальный взрыв животной жизни в океанах более 500 миллионов лет назад или переход из моря на сушу 200 миллионов лет назад в случае дождевых червей», — отмечает Фернандес.
В будущем более глубокое исследование геномной архитектуры менее изученных беспозвоночных может пролить свет на геномные механизмы, формирующие эволюцию видов.
«Существует огромное разнообразие, о котором мы ничего не знаем, скрытое в беспозвоночных, и их изучение может принести новые открытия о разнообразии и пластичности геномной организации и бросить вызов догмам о том, как, по нашему мнению, организованы геномы», — заключает Фернандес.
Исследование проводилось при участии сотрудников Университета Автономного Барселоны, Тринити-колледжа, Университета Комплутенсе в Мадриде, Университета Кёльна и Свободного университета Брюсселя.
Предоставлено Испанским национальным исследовательским советом.