Детеныши рыбок — удивительный источник адаптивной изменчивости челюстей рыб: биологи-эволюционисты идентифицируют негенетический источник видовой изменчивости

Альбертсон изучал африканских цихлид в течение 20 лет в качестве модельной системы для изучения того, как возникает и поддерживается биоразнообразие, уделяя особое внимание генетическому вкладу в видовые различия. В новой серии экспериментов с бывшим доктором философии. студент Йинан Ху, ныне докторант Бостонского колледжа, они исследовали «энергичное зияние» у личинок рыб, которое начинается сразу после формирования хрящевой нижней челюсти и до начала отложения кости.

Результаты опубликованы в текущем раннем выпуске журнала Proceedings of the Royal Society B.Как объясняет Альбертсон: «Мы предсказали, что мальки тренируют мышцы челюсти, которые должны воздействовать на кости, к которым они прикреплены, силы, которые могут стимулировать образование костей». Альбертсон и Ху наблюдали, что частота зияющих зевок, которая может достигать 200 в минуту, варьируется у разных видов, «таким образом, что это предвещает различия в отложении костной ткани вокруг процессов, критически важных для открытия челюсти».Альбертсон, эволюционный генетик, говорит: «На протяжении более ста лет нас учили, что способность системы развиваться во многом зависит от количества генетических вариаций, существующих для признака.

Что игнорируется или не учитывается. большинство черт заключается в том, что менее 50 процентов генетической изменчивости обычно может быть объяснено генетикой ». Он добавляет: «Вариации формы черепа в значительной степени наследуются, так почему мы можем найти только генетическую изменчивость, которая объясняет такую ​​небольшую вариабельность в развитии костей? В моей лаборатории мы перешли от разработки наших генетических моделей к более внимательному изучению взаимодействие между генетикой и окружающей средой ».Альбертсон отмечает, что то, как окружающая среда влияет на развитие, известно как эпигенетика в ее первоначальном и самом широком смысле.

Он отмечает, что этот термин, придуманный в 1940-х годах для обозначения чего-либо, не закодированного в нуклеотидной последовательности, сузился до того, как изменяется трехмерная структура молекулы ДНК. «Это значение верно, но оно не единственное. Мы возвращаемся к исходному определению».

В этом смысле зияние — это часть «очень динамичной среды развития», — отмечает Альбертсон. «Кости не образуются в статичных тканях. Скорее, они развиваются как часть и, возможно, в ответ на очень сложную и динамичную систему». Тот факт, что виды различаются по скорости зияния, заставил исследователей проверить идею о том, что различия в развитии костей могут быть объяснены вариациями в этом поведении. «Мы провели эксперименты, чтобы увидеть, можем ли мы снизить скорость у видов с быстрым зиянием и ускорить его у видов с медленным зиянием, а также посмотреть, могут ли эти поведенческие манипуляции влиять на развитие костей предсказуемым образом».Эти эксперименты не только сработали, но и величина различий в морфологии скелета, вызванная этими простыми изменениями в поведении, была аналогична той, которая, по прогнозам, была вызвана генетическими факторами.

Альбертсон говорит: «Что мне действительно интересно, так это то, что за 15 лет манипулирования генетикой развития черепно-лицевой кости мы можем объяснить до 20 процентов вариабельности, так что это скромно. Когда мы манипулируем зияющим поведением, мы можем влиять на вариабельность развития путем около 15 процентов, что сопоставимо, почти равно генетической реакции ».Генетик добавляет: «Когда я выступаю с докладами, то больше всего удивляет коллег: влияние окружающей среды находится на одном уровне с генетическим и что оно не является системным, а очень специфичным для важных костей, участвующих в кормлении рыб».Альберстон говорит, что такое поведение имеет смысл, потому что «Природа — это эффективность.

Точная настройка адаптивного ответа на конкретную нишу увеличивает шансы на выживание. Иногда более длинные кости лучше, и один из способов добиться этого — дать толчок развитию костей.

Это зияющее поведение предшествует формированию кости, поэтому оно может представлять собой способ повышения эффективности за счет более ранней установки животного на траекторию адаптивного фенотипа ».Он добавляет: «Это только начало. В нашей области геноцентрический взгляд на эволюцию закрепился на протяжении почти столетия. Я надеюсь, что это исследование пополнит растущий объем литературы, которая показывает, что существуют другие важные источники вариаций. . Я надеюсь, что мы сможем расширить парадигму, чтобы учесть экологический контекст, в котором происходит развитие, потому что последствия, вероятно, более значительны и распространены, чем мы предполагали ».

Следующим шагом его лаборатории будет выяснение того, как стимулы окружающей среды влияют на развитие, объясняет Альбертсон. «Теперь нам нужно понять, как костные клетки воспринимают свою механическую среду и реагируют на нее. Какие молекулы обеспечивают это механо-зондирование?»

С этой целью исследователи продемонстрировали, что вызванные механической нагрузкой сдвиги в развитии скелета связаны с различиями в экспрессии гена ptch1, который ранее участвовал в опосредовании межвидовых различий в форме скелета. «То, что одна и та же молекула участвует в механо-зондировании внутри видов и генетическом расхождении между видами, — это очень круто, поскольку это согласуется с эволюционной теорией», — говорит Альбертсон.Идея состоит в том, что когда популяция животных подвергается воздействию новой среды, определенные молекулы позволят им реагировать, приспосабливая свои тела к новым вызовам.

Если новая среда стабильна, естественный отбор должен благоприятствовать генетическим мутациям в этих молекулах, которые фиксируют исходный временный ответ. Эта теория устанавливает основу для начальных шагов в расхождении видов. «Мы думаем, что теперь у нас есть молекулярная точка опоры для этого процесса», — объясняет Альбертсон. «Это захватывающие времена».

Портал обо всем