В 1859 году Чарльз Дарвин ввел термин «живые ископаемые» для описания организмов, которые в летописи окаменелостей демонстрируют небольшое видовое разнообразие или незначительные физические отличия от своих предков. В новом исследовании ученые из Йельского университета представили первые доказательства биологического механизма, объясняющего, как живые ископаемые встречаются в природе.
Исследование, опубликованное в журнале Evolution, показывает, что щуки и осетры — древняя группа лучеперых рыб, которая соответствует определению живого ископаемого — имеют самую медленную скорость молекулярной эволюции среди всех челюстных позвоночных, а это означает, что их геном меняется медленнее, чем у других животных.
Связывая это открытие с процессом гибридизации — когда два разных вида производят жизнеспособное потомство, исследователи демонстрируют, что медленный темп эволюции их генома обусловливает их низкое видовое разнообразие.
«Мы показываем, что медленная скорость молекулярной эволюции щук заблокировала их скорость видообразования», — сказал Томас Ниар, профессор экологии и эволюционной биологии и старший автор статьи. «По сути, это первый случай, когда наука показывает, что линия, благодаря внутреннему аспекту ее биологии, соответствует критериям живых ископаемых».
Эволюционный застой характеризует линии, которые редко видоизменяются и демонстрируют незначительные фенотипические изменения на протяжении длительных периодов геологического времени.
Исследователи предполагают, что щуки обладают необычайно сильным аппаратом восстановления ДНК, что позволяет им исправлять соматические и зародышевые мутации — изменения в ДНК, которые происходят до и после зачатия — более эффективно, чем у большинства других позвоночных.
В случае подтверждения эти результаты могут иметь серьезные последствия для здоровья человека.
«Большинство видов рака это соматические мутации, которые представляют собой сбои в механизмах восстановления ДНК человека», — говорит Томас Ниар. «Если дальнейшее исследование докажет, что механизмы репарации ДНК чрезвычайно эффективны, и выявит, что делает их такими, мы сможем начать думать о потенциальном применении его для здоровья человека».
Семь ныне живущих видов щук структурно почти идентичны самым ранним ископаемым щукам юрского периода, которые жили около 150 миллионов лет назад. Одна из двух ныне живущих основных линий щук начала появляться в летописи окаменелостей еще 100 миллионов лет назад, в средний меловой период.
Анализируя набор данных из 1105 экзонов — кодирующей области ДНК — из выборки из 471 вида челюстных позвоночных, исследователи обнаружили, что ДНК щук последовательно развивается на три порядка медленнее, чем у любой другой основной группы позвоночных.
Затем исследователи продемонстрировали, что медленная скорость молекулярной эволюции связана с медленной скоростью видообразования щук, проанализировав примеры гибридизации между двумя разными видами щук в системах рек Бразос и Тринити.
Поскольку уровень генетических мутаций увеличивается, отдельные виды должны иметь более молодое общее происхождение для размножения, объяснил Чейз Браунштейн, аспирант факультета экологии и эволюционной биологии Йельского университета и ведущий автор исследования.
«Чем медленнее мутирует геном вида, тем больше вероятность того, что он сможет скрещиваться с другим видом, от которого он был генетически изолирован в течение длительного периода времени», — сказал Чейз Браунштейн.
Ученые обнаружили, что два вида, аллигаторовая щука (миссисипский панцирник) и длиннорылая щука (длиннорылый панцирник), которые имеют общего предка, жившего по крайней мере 100 миллионов лет назад, до сих пор образуют жизнеспособные и плодовитые гибриды.
Согласно исследованию, это старейшее выявленное разделение родителей среди всех животных, растений и грибов, которые производят жизнеспособные, плодородные гибриды, опередившее предыдущего рекордсмена — два вида папоротников — примерно на 60 миллионов лет.
По словам исследователей, это открытие в сочетании с перекрывающейся морфологией или физическими структурами гибридов и других видов щук указывает на то, что медленная скорость генетической мутации лучеперых рыб создает барьер как для видообразования, так и для эволюции новых наблюдаемых характеристик.
«Наше исследование показывает, что живые ископаемые — это не просто странные случайности истории, а фундаментальная демонстрация эволюционного процесса в природе», — сказал Чейз Браунштейн. «Анализ закономерностей в эволюционной истории живых ископаемых может иметь значение для нашей собственной истории. Это не только помогает нам лучше понять биоразнообразие планеты, но потенциально однажды может быть применено к медицинским исследованиям и улучшению здоровья человека».