Новое исследование раскрывает удивительный случай эволюционного регресса у островных растений.
На молодых островах Галапагосского архипелага, образованных из чёрной породы, дикорастущие томаты ведут себя необычно. Они словно отбрасывают миллионы лет эволюции, возвращаясь к более примитивному генетическому состоянию, которое воскрешает древние химические защиты.
Эти томаты, 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 томатах.
В статье, опубликованной 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.
Дело в том, что эволюция не должна иметь кнопки перемотки назад. Обычно её рассматривают как поступательное движение к адаптации, а не как круговой путь возврата к утраченным признакам. Хотя организмы иногда вновь приобретают черты, сходные с чертами своих предков, это происходит редко и труднодоказуемо.
Однако именно это и происходит с томатами на Галапагосских островах.
«Это не то, чего мы обычно ожидаем», — говорит 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 преобразовании являются алкалоиды. Томаты, 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 у животных 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 клубней.
«Наша группа усердно работала над описанием этапов, участвующих в синтезе алкалоидов, чтобы мы могли попытаться его контролировать», — говорит Йозвяк.
Интересно эти томаты не только тем, что производят алкалоиды, но и тем, что производят «не те», или, по крайней мере, такие, которых не было у томатов с ранних этапов эволюции.
Исследователи проанализировали более 30 образцов томатов, собранных в разных географических точках по всему архипелагу. Они обнаружили, что растения на восточных островах производили те же алкалоиды, что и современные культивируемые томаты. Но на западных островах томаты производили другую версию с молекулярным «отпечатком пальца», характерным для родственников баклажанов, живших миллионы лет назад.
Разница обусловлена стереохимией, то есть расположением атомов в трёхмерном пространстве. Две молекулы могут содержать одни и те же атомы, но вести себя совершенно по-разному в зависимости от расположения этих атомов.
Чтобы выяснить, как томаты совершили такой 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 предковую.
Они доказали это, синтезировав в лаборатории гены, кодирующие эти ферменты, и вставив их в растения табака, которые тут же начали производить старые соединения.
Закономерность была неслучайной. Она соответствовала географии. Томаты на восточных, более старых островах, которые более стабильны и биологически разнообразны, производили современные алкалоиды. Те, что росли на молодых западных островах, где ландшафт более бесплоден, а почва менее развита, переняли более древнюю химию.
Исследователи подозревают, что на изменение направления эволюции могла повлиять окружающая среда на новых островах.
«Возможно, предковая молекула обеспечивает лучшую защиту в более суровых западных условиях», — говорит Йозвяк.
Чтобы подтвердить направление изменений, команда провела своего рода эволюционное моделирование, которое использует современную ДНК для определения признаков давно вымерших предков. Томаты 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 так явно или так химически точно.
«Некоторые люди не верят в это, — говорит Йозвяк. — Но генетические и химические доказательства указывают на возвращение к предковому состоянию. Механизм есть. Это произошло».
И такие изменения могут быть не только у растений. Если это может произойти с томатами, то теоретически это может произойти и с другими видами. «Я думаю, это может произойти и с людьми», — говорит он. «Это не произойдёт через 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 проснуться. И, как показывает это исследование, жизнь иногда может двигаться вперёд, обращаясь к прошлому.
«Если изменить всего несколько аминокислот, можно получить совершенно другую молекулу», — говорит Йозвяк.
«Эти знания могут помочь нам создавать новые лекарства, разрабатывать более устойчивые к вредителям растения или даже делать менее токсичные продукты. Но сначала мы должны понять, как это делает природа. Это исследование — шаг к этому».
Источник: Калифорнийский университет в Риверсайде.