Хромосомные мутации. Как комары пережили динозавров

Малярийные комары – один из самых устойчивых видов, существующих на планете уже почти 180 миллионов лет. Генетические исследования, которые проводят учёные Томского государственного университета и других научных центров во всем мире, помогают понять, за счёт чего комарам удается выживать даже в самых неблагоприятных условиях. Главная причина – «полезные» мутации, которые накопились в геноме этих насекомых и распространяются под давлением отбора в максимально короткие сроки. В обзорной статье, вышедшей в журнале Current Opinion in Insect Science (Q1), учёные рассказывают, как хромосомные инверсии влияют на эволюцию одного из самых опасных насекомых на Земле.

– Предмет нашего исследования – хромосомные инверсии. Это вид перестройки, при которой происходит поворот участка хромосомы на 180 градусов, – объясняет один из авторов статьи, ученый Биологического института ТГУ и Политехнического университета Вирджинии Игорь Шарахов. – Хромосомные инверсии могут обеспечивать малярийным комарам те свойства, которых эти насекомые не имели ранее, например, устойчивость к засухе или избыточной влажности, к холоду или теплу, приспособление к питанию кровью на новых хозяевах, адаптация к новым патогенам и прочее. Благодаря высокой скорости хромосомных изменений, малярийные комары благополучно выжили даже в условиях массового вымирания флоры и фауны на планете.

По сравнению с крупными животными, такими как динозавры или мамонты, малярийные комары способны эволюционировать значительно быстрее, а значит, они более пластичны в приспособлении к изменяющимся условиям внешней среды на протяжении миллионов лет.

Динозавры и мамонты жили примерно по 70–80 лет, а половозрелости достигали только к 14–15 годам. Комары становятся половозрелыми уже через 7–10 дней после развития из яйца. Соответственно, за год комары могут проходить через несколько поколений, в отличие от более крупных животных. Генные и хромосомные мутации возникают в половых клетках спонтанно, поэтому каждое новое поколение – это возможность для новых мутаций, которые могут оказаться полезными в таких условиях и сохраниться в следующем поколении.

– В ранее опубликованных исследованиях, в которых мне довелось участвовать, было показано, что каждая вторая буква ДНК (азотистое основание нуклеотида) в геномах популяций африканских малярийных комаров является полиморфной, то есть имеет мутантный вариант, – рассказывает Игорь Шарахов. – Для сравнения, в геноме человека такие генные мутации встречаются в 100 раз реже. Именно накопленные в ходе эволюции генные мутации позволяют комарам быстро приспосабливаться к изменениям среды, а также вырабатывать устойчивость к разнообразным инсектицидам, используемым для контроля их численности.

Кстати, первые динозавры и комары появились на Земле примерно в одно время – в триасовом периоде, между 240 и 220 млн лет назад. После массового триасово-юрского вымирания живых существ 201 миллионов лет назад динозавры стали значительнее разнообразнее и продолжали быть доминирующими наземными позвоночными до их вымирания 66 миллионов лет назад.

Малярийные комары (род Anopheles) возникли 179 миллионов лет назад. Примерно в это же время начало увеличиваться видовое разнообразие цветковых растений, нектаром которых питались комариные самцы и самки до кровососания. Некоторые ученые считают, что малярийные комары способствовали вымиранию динозавров.

– Дело в том, что малярия в то время была относительно новой болезнью, и иммунная система динозавров плохо справлялась и паразитами Plasmodium, переносимыми комарами во время кровососания, – поясняет Игорь Шарахов. – Поэтому, когда численность комаров значительно увеличилась в тропических и субтропических условиях мелового периода с 145 до 66 миллионов лет назад, динозавры много и тяжело болели, в отличие от современных рептилий и млекопитающих, у которых иммунная система приобрела способность бороться с болезнью.

Игорь Шарахов - исследователь БИ ТГУ и Политехнического университета Вирджинии. Фото из архива Игоря Шарахова

Таким образом, динозавры уже находились в состоянии упадка перед своим вымиранием, непосредственно вызванным последствиями падения метеорита на Землю 66 миллионов лет назад. После последнего массового вымирания малярийные комары увеличили видовое разнообразие и расширили диапазон хозяев для питания кровью, добавив к выжившим амфибиям и рептилиям также млекопитающих и птиц. В настоящее время насчитывается почти 500 видов малярийныx комаров рода Anopheles, из которых около 40 способны переносить возбудителей малярии человека.

Имеются исследования, которые показывают, как разные виды комаров генетически приспосабливаются к тем или иным условиям. Так, учёный БИ ТГУ Владимир Стегний с соавторами изучал сдвиг частоты температурно-зависимых инверсий у малярийных комаров в ответ на изменение климата. Они обнаружили десятикратное снижение частоты инверсии «холодоустойчивости» 2R1 в двух сибирских популяциях евразийского вида An. messeae в период с 1975 по 2013 годы.

Другая интересная закономерность заключается в том, что даже у далеких друг от друга видов, которые в эволюции разошлись довольно давно, в схожих условиях идут одинаковые эволюционные процессы.

Одно из важнейших заключений исследований, изложенных в обобщающей статье, – инверсионные полиморфизмы у насекомых существуют и функционируют в разных пространственных и временных масштабах: они могут быть эволюционно стабильными, если внешние условия мало меняются, или быстро возникать в ответ на резкое изменение окружающей среды. Кроме того, хромосомные инверсии влияют на эволюцию генома насекомых, приводя к различиям между вариантами генов, что в конечном счете и способствует адаптации видов к разнообразным условиям.

Изображение на обложке: freepik