Своими мощными лопатами европейский крот может легко копать землю. То же самое относится и к австралийскому сумчатому кроту. Хотя два вида животных живут далеко друг от друга, у них в ходе эволюции развились сходные органы — в их случае конечности, идеально приспособленные для рытья в почве.
Наука говорит о «конвергентной эволюции» в таких случаях, когда животные, но и виды растений независимо развивают признаки, имеющие одинаковую форму и функцию. Тому есть много примеров: у рыб, например, есть плавники, как и у китов, хотя они млекопитающие. У птиц и летучих мышей есть крылья, и когда дело доходит до использования ядовитых веществ для защиты от нападающих, многие существа, от медуз до скорпионов и насекомых, развили один и тот же инструмент: ядовитое жало.
Идентичные характеристики, несмотря на отсутствие родства
Понятно, что ученые всего мира заинтересованы в том, чтобы выяснить, какие изменения в генетическом материале соответствующих видов ответственны за то, что у них развились идентичные признаки, хотя между ними нет никакой связи.
Поиск этого оказывается трудным: «Такие признаки — мы говорим о фенотипах — конечно, всегда закодированы в последовательностях генома», — говорит физиолог растений доктор Кенджи Фукусима из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге. Мутации — изменения в генетическом материале — могут быть пусковыми механизмами для развития новых признаков.
Однако генетические изменения редко приводят к фенотипической эволюции, потому что лежащие в их основе мутации в значительной степени случайны и нейтральны. Таким образом, огромное количество мутаций накапливается в течение экстремальных временных масштабов, в которых происходят эволюционные процессы, что чрезвычайно затрудняет обнаружение фенотипически важных изменений.
Новая метрика молекулярной эволюции.
Теперь Фукусиме и его коллеге Дэвиду Д. Поллоку из Университета Колорадо (США) удалось разработать метод, который позволяет добиться значительно лучших результатов, чем ранее использовавшиеся методы, в поиске генетической основы фенотипических признаков. Свой подход они представляют в текущем номере журнала Экология природы и эволюция.
«Мы разработали новую метрику молекулярной эволюции, которая может точно отражать скорость конвергентной эволюции в последовательностях ДНК, кодирующих белки», — говорит Фукусима, описывая основной результат опубликованной работы. Этот новый метод, по его словам, может выявить, какие генетические изменения связаны с фенотипами организмов в эволюционной шкале времени в сотни миллионов лет. Таким образом, это дает возможность расширить наше понимание того, как изменения в ДНК приводят к фенотипическим инновациям, которые приводят к большому разнообразию видов.
Огромная сокровищница данных как основа
В основу работы Фукусимы и Поллока легло ключевое достижение в области наук о жизни: тот факт, что в последние годы все больше и больше геномных последовательностей многих живых организмов среди разнообразия видов расшифровываются и, таким образом, становятся доступными для анализа. «Это сделало возможным изучение взаимосвязей генотипов и фенотипов в больших масштабах на макроэволюционном уровне», — говорит Фукусима.
Однако, поскольку многие молекулярные изменения почти нейтральны и не влияют ни на какие признаки, при интерпретации данных часто существует риск «ложноположительной конвергенции», то есть результат предсказывает корреляцию между мутацией и конкретным признаком, который не на самом деле не существует. Кроме того, за такую ложноположительную конвергенцию могут быть ответственны методологические предубеждения.
Корреляции за миллионы лет
«Чтобы преодолеть эту проблему, мы расширили структуру и разработали новую метрику, которая измеряет скорость конвергенции эволюции белка с поправкой на ошибку», — объясняет Фукусима. Это, по его словам, позволяет отличить естественный отбор от генетического шума и филогенетических ошибок в симуляциях и реальных примерах. По его словам, этот подход, дополненный эвристическим алгоритмом, позволяет проводить двунаправленный поиск ассоциаций генотип-фенотип даже в родословных, которые разошлись на протяжении сотен миллионов лет.
Двое ученых проанализировали более 20 миллионов комбинаций ветвей в генах позвоночных, чтобы проверить, насколько хорошо работает разработанная ими метрика. На следующем этапе они планируют применить этот метод к плотоядным растениям. Цель состоит в том, чтобы расшифровать генетическую основу, которая частично отвечает за способность этих растений привлекать, захватывать и переваривать добычу.
Журнал
Экология природы и эволюция
Метод исследования
Данные/статистический анализ
Предмет исследования
Непригодный
Название статьи
Обнаружение макроэволюционных ассоциаций генотип-фенотип с использованием скорости конвергенции белков с исправлением ошибок
Дата публикации статьи
5 января 2023 г.
Заявление об ИСП
Авторы объявили, что нет никаких конфликтов интересов
Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.
