У эволюции нет конкретной цели, но есть результат
Мы не задумываясь назовём голубя и ворону, акулу и карася разными видами животных, ведь они так не похожи друг на друга. Однако бывает, что животные внешне отличаются, а относятся всё равно к одному виду. Чтобы определить новый вид, его нужно очень внимательно изучить: не только то, как его представители выглядят, но и как они себя ведут, и что у них в ДНК.
О том, как происходит видообразование, с чего начинается и через какие этапы проходит, рассказывает ихтиолог Борис Лёвин, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова и Института биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН, руководитель проекта РНФ по генетике рыб.
— Борис Александрович, всю свою научную жизнь вы занимаетесь изучением рыб…
— Начинал с изучения фауны рыб Волги и Дона в зоне их водораздела ещё студентом, диссертацию защищал уже как морфолог рыб. Потом занялся эволюционной биологией развития — модифицированием онтогенеза*, когда, стимулируя или подавляя активность щитовидной железы рыб во время раннего онтогенеза, мы вызывали совершенно разные состояния фенотипов**, которые можно было бы отнести к разным видам рыб, настолько у них морфология различалась. В ходе этих работ мы нашли уникальный вид рыб, сверхчувствительный к тиреоидным гормонам (синец, Ballerus ballerus, из семейства Карповые). Он обитает в водоёмах Европейской России, в частности, мы работали с синцом из Рыбинского водохранилища. Когда у синца измерили естественный уровень тиреоидных гормонов, оказалось, что он самый низкий среди всех изученных видов рыб. Тогда мы искусственно повысили уровень тиреоидных гормонов у личинок синца и получили… фенотипический аналог другого вида — белоглазки, Ballerus sapa, у которой естественный уровень гормонов как раз выше, чем у синца. Причём эти виды, хотя и являются сестринскими (то есть самыми близкими друг другу), хорошо различаются в природе по морфологии, экологии, да и по генетике. То есть нет сомнений в том, что это разные виды.
* Онтогенез — индивидуальное развитие организма.
** Фенотип — совокупность внешних и внутренних признаков индивидуума, приобретённых в ходе онтогенеза.
— Тиреоидные гормоны — это же гормоны щитовидной железы. Почему вы именно их решили исследовать?
— Потому что они являются очень мощными морфогенами, то есть соединениями, влияющими на формирование органов и частей тела. В своём эксперименте с синцом мы вскрыли механизм, согласно которому мог реализоваться эволюционный сценарий в этой линии рыб. Например, если случается мутация, которая увеличивает или снижает продукцию гормонов, это приводит к кардинальной перестройке морфологии. Иначе говоря, единичная мутация может привести к морфологическим изменениям видового или родового уровня — фактически случается макроэволюция. Вообще, переход от микро- к макроэволюции не вполне понятен, специалисты пока не могут определиться с тем, существуют ли тут чёткие границы.
После защиты диссертации я выиграл постдок — стажировку для молодых кандидатов наук — в Испании, в Национальном музее естественной истории. Там проработал в течение двух лет, освоил молекулярную генетику. Понравилось, с тех пор «подсел» на «молекулярку». По возвращении в Россию начал исследовать генетическое разнообразие рыб наших водоёмов, а это оказалось совершенно неизученное «эльдорадо». Организовал сначала небольшую молекулярно-генетическую лабораторию. Мы смогли выделять ДНК, делать ПЦР (полимеразную цепную реакцию), а секвенировали в сервисном центре. Затем приобрели секвенатор, и весь цикл работ, от выделения ДНК до написания генетических статей, стали проводить у себя, не выходя за пределы лаборатории. Это ускорило процесс и увеличило число обрабатываемых проб. Сейчас наша лаборатория очень хорошо оборудована и приспособлена, в том числе для работы с геномикой и так называемой природной (или экологической) ДНК, содержащейся в воде.
— А что именно вы смотрели у рыб?
— Генетическое разнообразие, которое служит маркером для разграничения видов, популяций или же маркером определённых эволюционных событий и процессов (например гибридизации). Есть весьма популярный для идентификации видов ген, расположенный в митохондриальной ДНК, — он кодирует первую субъединицу цитохром-с-оксидазы***. В своё время участок этого гена предложили использовать как ДНК-штрихкод, или ДНК-баркод, — достаточно универсальный маркер, по которому, как считается, можно понять, какой это вид для разных групп организмов — позвоночных и беспозвоночных животных. Была создана большая база данных во всём мире по этим штрихкодовым последовательностям. Соответственно, когда вы секвенируете, получаете последовательность и сравниваете её в базе данных, к какому виду она ближе всего. Например, получаете сходство на 99% с плотвой. Или сходство только на 95% (то есть, говоря иначе, для этого маркера есть генетическая дивергенция в пять процентов) — это значит, что вида нет в базе данных или же это новый для науки вид. Мы стали применять этот метод массово — делать так называемый генетический скрининг рыб наших водоёмов. Вот, например, в бассейне Волги мы таким образом генотипировали более 1100 рыб со 170 станций и узнали очень много нового о тех рыбах, которые, как казалось, уже изучены, и новизны здесь вряд ли кто ожидал.
*** Цитохромоксидаза — один из главных белков энергетических реакций в митохондриях, состоящий из целого ряда субъединиц, закодированных как в ядерной, так и в митохондриальной ДНК.
— Вам удалось открыть новые виды?
— В реках европейской части России до сих пор обнаруживаются новые виды — это я вам по секрету скажу, не приводя подробностей, потому что мы находимся в процессе их описания. Разве что можно рассказать о новом пескаре из бассейна Урала, описание которого только что опубликовано. Пескари распространены практически по всей Северной Евразии, и долгое время считалось, что они относятся к одному и тому же виду, пескарю обыкновенному, Gobio gobio, у которого просто высокая внутривидовая изменчивость. Потом генетический анализ показал, что это не один, а несколько видов. Мы исследовали пескарей из бассейнов Урала, Волги и Оби, чтобы лучше понять, какие виды здесь встречаются. Обнаружили четыре вида: три известных и один новый. Его назвали Gobio uralensis, поскольку он обитает в верхнем и среднем течении Урала, причём уральский пескарь оказался эндемичным видом — единственным из всех рыб реки Урал. По внешним признакам он больше всего похож на волжского Gobio volgensis, а по митохондриальной ДНК — на маркакольского Gobio acutipinnatus из бассейна верхнего Иртыша, в пределах Казахстана и Китая. Не исключено, что этот вид возник в результате гибридизации неких древних пескарей, которые дали современных Gobio acutipinnatus и Gobio volgensis. Гибридизоваться они могли, когда бассейн Каспия был связан с Обской речной системой через Тургайскую ложбину в ледниково-межледниковые периоды плейстоцена (2,58 миллиона — 11,7 тысяч лет назад).
Ранее также мы описали четыре новых вида из других регионов земного шара. Три из них с Кавказа, а четвёртый из Эфиопии (Восточная Африка). На Кавказе я работаю уже более 20 лет. Это мой любимый регион, участвовал здесь в самых разных экспедициях в разных уголках. Из Закавказья мы описали два новых вида рыб, относящихся к храмулям и щиповкам.