На молодых островах Галапагосского архипелага, образованных из чёрных скал, дикие помидоры ведут себя необычно. Они утрачивают миллионы лет эволюции, возвращаясь к более примитивному генетическому состоянию, которое воскрешает древние химические защиты.
Эти помидоры, произошедшие от южноамериканских предков, вероятно, завезённых птицами, начали производить токсичный молекулярный коктейль, которого не видели миллионы лет. Он напоминает соединения, обнаруженные в баклажанах, а не в современных помидорах.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде описывают это неожиданное явление как возможный случай «обратной эволюции». Этот термин вызывает споры среди биологов-эволюционистов.
Эволюция обычно рассматривается как однонаправленный процесс адаптации, а не как круговое возвращение к утраченным признакам. Хотя организмы иногда вновь приобретают черты, сходные с чертами своих предков, это происходит редко и труднодоказуемо. Однако именно это, по-видимому, и делают помидоры на Галапагосских островах.
«Это не то, что мы обычно ожидаем», — сказал Адам Йозвяк, молекулярный биохимик из Калифорнийского университета в Риверсайде и ведущий автор исследования. «Но вот оно, происходящее в реальном времени, на вулканическом острове».
Ключевыми игроками в этом химическом процессе являются алкалоиды. Помидоры, картофель, баклажаны и другие паслёновые производят эти горькие молекулы, которые действуют как встроенные пестициды, отпугивая насекомых-хищников, грибы и травоядных животных.
Хотя на Галапагосских островах животные имеют мало хищников, это не всегда справедливо для растений. Поэтому возникает необходимость производить алкалоиды.
Исследователи начали этот проект, потому что алкалоиды в сельскохозяйственных культурах могут быть проблематичными. В высоких концентрациях они токсичны для человека, поэтому возникло желание понять их производство и снизить их содержание в съедобных частях плодов и клубнях.
«Наша группа прилагает все усилия, чтобы охарактеризовать этапы, участвующие в синтезе алкалоидов, чтобы мы могли попытаться его контролировать», — сказал Йозвяк.
Что делает эти помидоры с Галапагосских островов интересными, так это не только то, что они производят алкалоиды, но и то, что они производят не те, которые обычно встречаются у современных культивируемых помидоров.
Исследователи проанализировали более 30 образцов помидоров, собранных в разных географических точках по всему архипелагу. Они обнаружили, что растения на восточных островах производили те же алкалоиды, которые встречаются в современных культивируемых помидорах. Но на западных островах помидоры производили другую версию с молекулярным отпечатком, характерным для родственников баклажанов, живших миллионы лет назад.
Разница обусловлена стереохимией, или расположением атомов в трёхмерном пространстве. Две молекулы могут содержать одни и те же атомы, но вести себя совершенно по-разному в зависимости от того, как эти атомы расположены.
Чтобы выяснить, как помидоры совершили этот переход, исследователи изучили ферменты, которые собирают эти молекулы алкалоидов. Они обнаружили, что изменения всего четырёх аминокислот в одном ферменте было достаточно, чтобы изменить структуру молекулы с современной на древнюю.
Они доказали это, синтезировав гены, кодирующие эти ферменты, в лаборатории и вставив их в растения табака, которые быстро начали производить старые соединения.
Закономерность не была случайной. Она соответствовала географии. Помидоры на восточных, более старых островах, которые более стабильны и биологически разнообразны, производили современные алкалоиды. Те, что росли на молодых западных островах, где ландшафт более бесплодный, а почва менее развита, переняли более древнюю химию.
Исследователи подозревают, что окружающая среда на более молодых островах может стимулировать этот процесс. «Возможно, что древняя молекула обеспечивает лучшую защиту в более суровых западных условиях», — сказал Йозвяк.
Чтобы подтвердить направление изменений, команда провела своего рода эволюционное моделирование, которое использует современную ДНК для определения признаков давно вымерших предков. Помидоры на молодых островах соответствовали тому, что, вероятно, производили эти ранние предки.
Тем не менее называть это «обратной эволюцией» — смело. Хотя повторное появление старых признаков было зафиксировано у змей, рыб и даже бактерий, это редко бывает таким явным или химически точным.
«Некоторые люди не верят в это, — сказал Йозвяк. — Но генетические и химические доказательства указывают на возвращение к предковому состоянию. Механизм есть. Это произошло».
И такие изменения могут быть не ограничены растениями. Если это может произойти с помидорами, теоретически это может произойти и с другими видами. «Я думаю, это может произойти и с людьми», — сказал он. «Это не произойдёт за год или два, но со временем, возможно, если условия окружающей среды изменятся достаточно».
Йозвяк не изучает людей, но идея о том, что эволюция более гибкая, чем мы думаем, серьёзна. Давно утраченные черты могут вновь появиться. Древние гены могут пробудиться. И, как показывает это исследование, жизнь иногда может найти способ двигаться вперёд, обращаясь к прошлому.
«Если изменить всего несколько аминокислот, можно получить совершенно другую молекулу», — сказал Йозвяк. «Эти знания могут помочь нам создавать новые лекарства, разрабатывать более эффективные средства защиты от вредителей или даже производить менее токсичные продукты. Но сначала мы должны понять, как это делает природа. Это исследование — шаг к этому».