Генетика: Белые акулы и тунец - суперхищники

Большие белые акулы и тунец - суперхищники.
Именно к такому выводу пришли учёные в результате новейшего исследования генов этих рыб.

Вопреки процессу независимой эволюции в течение 400 с лишним миллионов лет, некоторые виды акул и тунца имеют общие генетические черты, что связано с повышенным обменом веществ и привычкой быстрого плавания.

Тунец и группа сельдевых акул, которая включает в себя представителей большой белой акулы, имеют некоторые подобные характеристики, которые помогают их становиться супер хищниками. В том числе, это их стиль плавания и способность сохранять тепло.

Несмотря на видовое генетическое разделение, новое исследование, проведённое Имперским колледжем в Лондоне, показывает дифференциацию многих генов на две группы, которые дают им эту хищническую силу.

Гены, связанные с похожими характеристиками, такими как метаболизм, были преимущественно выбраны для обеих групп – это означает, что они более склонны к эволюционированию, передаваясь из поколения в поколение для сохранения шансов животных на выживание.

Команда исследователей также нашла один одинаковый ген в обеих группах рыб, связанный с обменом веществ, а также способностью существ к получению энергии. Это открытие может помочь учёным разгадать взаимосвязь между генетикой и физическими чертами этих хищников.

Исследование опубликовано в научном журнале "Геном биологии и эволюции" (Genome Biology and Evolution) в сентябре 2016 года.

Соавтор исследования профессор Винсент Саволайнен из Департамента наук о жизни в Имперском Колледже сказал:

Акулы и тунец отличаются жёсткими телами и хвостами, которые позволяют им быстро плавать. Они также могут поддерживать свою температуру в холодных водах.

Оба этих свойства делают их более эффективными хищниками, позволяя им добывать пропитание в самых негостеприимных водах и иметь конкурентные преимущества по отношению к другим хищникам.

Есть и простые черты видов, и те, которые развились в процессе эволюции. Они дают нам возможность рассматривать аспекты, лежащие в основе генетики и понимать взаимосвязь физических качеств.

Генокоды различных белков являются строительным материалом всех тканей и функций в организме. При активации гена он производит свои уникальные белки, этот процесс называется экспрессией генов.

Однако трудно напрямую связать один ген с конкретным физическим признаком, таким как метаболизм, поскольку экспрессия генов может быть различной в разных организмах, обуславливая в результате разные черты.

Глядя на примеры одного и того же гена у двух разных животных, можно получить важную информацию о том, как выражение гена относится к физическим признакам.

Сельдевые (ламновые) акулы и тунец разнятся образом жизни, но их тела удивительно похожи друг на друга. Это обеспечивает для учёных идеальный сценарий поиска конвергенции генов и физических признаков.

Учёные получили образцы мышечной ткани трёх видов акул и шести видов тунца, а также близкородственных видов скумбрии, и проанализировали все эти гены. Каждый ген, который был связан с аналогичными процессами с участием метаболизма, быстрее развивался у акул и тунцов, но не у скумбрии.

Несмотря на 400-450 миллионов лет независимой эволюции, сильное фенотипическое сближение между двумя группами рыб всё же произошло.

Эта конвергенция характеризуется централизацией красной мышцы, отвечающей за особый стиль плавания (напряжённое тело получает дополнительный импульс за счёт движения специальных хвостовых мышц) и повышения температуры тела (эндотермия).

Кроме того, обе группы демонстрируют повышенные метаболические способности в белых мышцах. Все эти черты являются необычными для рыб и, вероятно, они эволюционировали, чтобы поддержать их быстрое плавание и конкурентное пелагическое хищническое поведение.

В исследовании учёные проверили также гипотезу о том, что их сходящиеся эволюционные признаки обусловились селекцией множества метаболических генов.

Учёные секвенировали (определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности) белые мышечные транскриптоны (функциональная единица генома) тунца и белой акулы, и дополнили этот набор данных ранее полученными данными РНК.

Использование 26 видов генов в общей сложности (в том числе 7032 генов тунца плюс 1719 генов акул) позволило построить филогенетические деревья и провести максимально комплексный анализ отбора генов.

Учёные пришли к выводу о сходстве несколько генов, связанных с метаболизмом. Они также обнаружили, что один ген, glycogenin-1 (GLYG1), развивался в процессе позитивной селекции в акулах и тунцах независимо друг от друга, что свидетельствует о наличии конвергентного селективного доминирования на уровне генов, возможно, лежащего в основе общей физиологии.

Скорость, с которой мышечный гликоген восстанавливается, указывает на то, как быстро организм (например, человека) может оправиться от физических упражнений.

Было выявлено, что полосатый тунец может сделать это быстро, со скоростью, аналогичной млекопитающим.

В организме человека повышенная экспрессия GLYG1 была обнаружена во время восстановления после физических упражнений, и она была связана с увеличением мышечного содержания гликогена.

Мутации в этом гене приводят также и к гликогенному истощению скелетных мышц.

У акул при измерении мышечного гликогенного генезиса была зарегистрирована очень высокая активность лактатдегидрогеназы (LDH) и цитрат-синтазы (CS) по сравнению с их экзотермическими родственниками. Это маркеры анаэробной и аэробной метаболической мощности соответственно.

Суть исследования простым языком

Большие белые акулы и тунец, несмотря на миллионы лет эволюции, независимо друг от друга разработали те же приспособленческие характеристики, которые помогают им быстро плавать и поддерживать температуру тела, что даёт им очевидные конкурентные преимущества при выживании.

Например, в охоте процесс атаки двух групп рыб включает в себя завершающее "реактивное" ускорение, когда они приближаются к своей добыче.

Данное исследование акул и тунцов относится к сфере конвергентной эволюции.

Одним из его примеров является эхолокация. Владеющие этим свойством летучие мыши и киты получили такую способность независимо друг от друга в процессе эволюции.

А вот у птиц, которые по аналогии с летучими мышами были в состоянии "взять в небо" эхолокацию вместе с эволюцией крыльев, этого не произошло.

Результаты такого крупного научного исследования белой акулы и тунца позволили учёным, в частности, обнаружить ген glycogenin-1 (GLYG1), отвечающий за подобные "решения".

GLYG1 представляет собой фермент, который помогает мышцам быстро восстанавливаться после энергозатратного всплеска активности, пополняя запасы энергии гликогеном.

Синтез гликогена происходит со скоростью, достаточной для эффективного и полноценного восстановления сил хищников.

Чем выше эта скорость, тем больше шансов у животного выжить в очень неблагоприятных конкурентных условиях (эффективность охоты) и экстремальных ситуациях (борьба за свою жизнь).

Читать статью по теме:

Зачем эволюция наделила акул личностями?

Челюсти-2016: впервые снят полный процесс нападения белой акулы