Когда натуралист Чарльз Дарвин ступил на Галапагосские острова в 1835 году, он столкнулся с птицей, которая породила революционную теорию о происхождении новых видов. На разных островах у зябликов сильно различались рисунки клювов, отражающие их разнообразие диет. Так называемые вьюрки Дарвина являются символом адаптивной радиации, представляющей собой адаптацию родственных групп организмов в ответ на конкурентов или хищников.
Ученые считают, что адаптивная радиация генерирует большую часть биоразнообразия на Земле, однако большинство исследований сосредоточено на группах организмов, которые уже прошли диверсификацию. Новое исследование базируется на совершенно противоположном подходе.
Биологи из Университета Юты экспериментальным путем вызвали адаптивную радиацию; для этого они использовали специфических для хозяина паразитов, изолированных на отдельных голубиных «островках». Ученые показали, что потомки одной популяции вшей быстро адаптировались к чистке клювом, основной защите голубей. Они обнаружили, что чистка привела к быстрому и расходящемуся камуфляжу у вшей (Columbicola columbae), передаваемых разноцветными Сизыми голубями. В течение четырех лет и 60 поколений у вшей развивались наследственные цветовые различия, которые охватывали полную цветовую гамму их рода, обнаруженного у 300 видов птиц во всем мире.
«Изменения в цвете, которые мы заметили, оказались феноменальными – вши окрасились в максимально белый и черный цвета для своего рода, развивавшегося в течение миллионов лет», – сообщила Сара Буш, доцент кафедры биологии в Университете Юты и ведущий автор статьи. «Изменения и отбор, которые происходят изо дня в день, представляют собой те же модели, происходящие на Земле на протяжении миллионов лет».
Это первое исследование, которое показало, что эволюционные изменения, произошедшие в пределах одного вида (микроэволюция), отражают изменения в цвете среди разных видов, разошедшихся миллионы лет назад (макроэволюция).
«Люди уже давно пытаются соединить микро- и макроэволюцию», – заявил Дейл Клейтон, профессор биологии в Университете Юты и соавтор статьи. «В этом исследовании нам наконец-то удалось это сделать».
Исследование опубликовано 5 марта в журнале Evolution Letters.
Острова паразитов
Адаптивная радиация весьма распространена на архипелагах. Начиная от Гавайских серебряных мечей и заканчивая карибскими ящерицами, родословные растений и животных быстро диверсифицируются, так как океан ограничивает поток генов и движение между образованиями суши. Паразиты ограничены отдельными видами хозяев и, вероятно, адаптируются и диверсифицируются точно так же, как организмы, ограниченные островами. Защитная система хозяина, по-видимому, является основной движущей силой адаптивной радиации у паразитов, однако ученые никогда не проверяли эту гипотезу на практике.
Команда работала с системой хозяин-паразит, которой было крайне легко управлять: голуби и их вши. Последние в плане размеров не превышают семена кунжута и являются специалистами по перьям; они никогда не касаются кожи птицы и имеют специальные кишечные бактерии, которые переваривают пуховые перья, богатые кератином. Голуби в основном защищают себя от них путем чисткой перьев, однако вши научились прятаться от смертельных клювов, окрашивая себя в цвет перьев – эта стратегия известна как камуфляжная маскировка.
Чтобы проверить, способствовала ли чистка эволюции маскировки, команде нужно было доказать существование трех вещей. Во-первых, что именно избирательное давление вызвало изменение цвета. Во-вторых, что это были генетические различия для разных цветовых фенотипов. В-третьих, что изменение цвета было наследственным, то есть передавалось от родителя к своему потомству.
Чистка перьев – основной движущий фактор
Сначала биологи показали, что птицы полагаются на свое зрение, когда чистятся от вшей. Они подозревали об этом и раньше: в 2010 году Буш провела исследование, в ходе которого выяснилось, что у птиц со светлыми перьями есть вши светлого цвета, а у птиц с темными перьями – вши темного цвета. Для текущего эксперимента специалисты взяли одну популяцию вшей и покрасили их спины черно-белой краской, подобной лаку для ногтей. Затем они равномерно распределили вшей на восемь черных голубей и восемь белых голубей, оставив птиц в течение 48 часов, прежде чем подсчитать, сколько черно-белых вшей осталось на голубях.
Они обнаружили, что вши, окрашенные в «неправильный» цвет – черные вши на белых перьях и наоборот – обнаруживались птицами на 40 процентов чаще, чем вши с маскировкой. Затем они провели тот же опыт, но надели при этом на клювы птиц безопасные пластиковые кусочки. Через 48 часов они обнаружили, что у птиц с «намордниками» количество вшей с камуфляжем и без него было одинаковым. Это продемонстрировало, что чистка действительно являлась избирательным давлением для выживания вшей.
Чтобы проверить, приводит ли чистка к разнообразию цветов у вшей, они заразили 96 здоровых голубей неокрашенными вшами: 32 белых, 32 черных и 32 серых голубя получили по 25 вшей каждый. Внутри каждого цвета половина птиц чистили перья без проблем, а вторая половина носила пластиковые кусочки, которые ухудшали чистку. Вши оставались на этих птицах в течение всего эксперимента – четыре года, что привело к рождению около 60 поколений насекомых. Каждые шесть месяцев биологи отбирали вшей и фотографировали их, чтобы проанализировать светимость (относительную яркость или темноту) паразитов, а затем снова помещали их на птиц.
Яркость вшей у белых и черных голубей значительно изменилась по сравнению с цветом вшей у серых птиц – вши у белых голубей стали значительно светлее, в то время как вши у черных птиц стали темнее. К концу эксперимента самые светлые вши на белых голубях были такими же светлыми, как наиболее светлые виды вшей во всем их роду.
«Посмотрите на цветовую гамму. Что-то явно пошло не так! Она пересекается с другими видами вшей и это произошло всего за четыре года», – отметил Клейтон. «Такой срок ничто по сравнению со временем эволюции».
Изменение цвета наследуется
Чтобы проверить, являлось ли изменение цвета наследственным признаком, Буш и ее команде нужно было убедиться, что потомки вшей были по цвету похожи на своих родителей. Они взяли вшей у 12 голубей, которые могли нормально чиститься, и поместили их на серых голубей для размножения. Первым делом ученым нужно было как-то отличать родителей от своих детей.
Для этого они постригли вшей. Соавтор исследования Скотт Вилья, бывший научный сотрудник в Университете Юты, который в настоящее время работает в докторантуре на факультете биологии в Университете Эмори, навсегда пометил вшей родителей, используя крошечные ножницы, чтобы обрезать небольшие щетинки с одной стороны паразитов. Затем ученые перенесли вшей с этими уникальными стрижками на 12 серых голубей с нарушенной чисткой и прождали 48 дней. Потом они сфотографировали и проанализировали цвета, как родителей, так и их потомков.
Яркость цвета родителей сильно коррелировала с яркостью потомства, а это означало, что цвет передавался по наследству.
Границы воздействия не определены
Хоть ученые и ожидали, что чистка в конечном итоге приведет к появлению расходящихся маскировок у вшей, однако они были удивлены тем, насколько быстро произошли изменения. Это, вероятно, относится и к другим патогенам, которые диверсифицируются в ответ на защиту организма, включая патогены человека, реагирующие на нашу иммунную систему.
«Самой захватывающей частью в этом проекте является тот факт, что эти процессы не уникальны для вшей – это относится ко всему, что связано с ДНК», – добавил Буш.
Биологи сейчас проводят второй эксперимент, в котором они помещают вшей в перья голубей разных размеров, чтобы увидеть, как их чистка влияет на размеры вшей. Вши могут вырастать до различных размеров – в некоторых случаях они даже теряют возможность спариваться, что может стать важным шагом в происхождении нового вида.