Генетическая война с паразитом-феминистом закончилась массой мутаций

Внутриклеточный паразит, бактерия Wolbachia, известен биологам не только своей высокой распространенностью (им заражены около 20% насекомых на земле), но и оригинальным воздействием на своих хозяев. Цель, которую поражает бактерия, -- репродуктивная способность носителя. Причем чаще всего паразит действует с феминистическим уклоном. К примеру, у некоторых мокриц и чешуекрылых Wolbachia тормозит развитие андрогенной железы и заставляет изначально мужской эмбрион развиться в самку. А вот у тропической бабочки Hypolimnas bolina, как и у некоторых других ее сородичей, бактерии передаются от матери к плоду и избирательно убивают мужские эмбрионы.

Музейные нимфалиды

Ученые из Университета Ливерпуля решили выяснить, как менялись распространенность инфекции и соотношение полов у нескольких разделенных географически популяций Hypolimnas bolina за последние полтора столетия. Эта одна из красивейших нимфалид стала объектом исследования не случайно. В викторианскую эпоху и позднее, в первые десятилетия XX века, одним из самых распространенных увлечений среди джентльменов стало коллекционирование бабочек. А тропическая нимфалида кроме своей красоты привлекала коллекционеров и другой особенностью -- узор на крылышках самок этой бабочки очень разнообразен и сильно отличается от особи к особи. Поэтому насекомое стало и отличной моделью для ученых, изучающих теорию Дарвина.

Позднее многие экземпляры из частных коллекций осели в естественнонаучных музеях Великобритании, сопровожденные подробными полевыми заметками с указанием даты и места отлова особи. Ливерпульские биологи решили извлечь выгоду из этого факта и сравнить музейные экспонаты XIX-XX веков с представителями современных популяций.

Информацию о музейных особях получали с помощью изучения ДНК, которую извлекли из лапок засушенных насекомых. Доктор Эмили Хорнетт, одна из руководителей исследования, рассказывает: «До 1990 года было практически невозможно извлечь ДНК из давно умерших особей. Однако последние достижения в генетике и криминалистике дали нам новые технологии, которые позволили изучать музейные коллекции и строить детальную картину эволюции видов в течение долгого периода времени. С помощью ДНК-анализа образцов из лапок бабочек, живших век назад, и сравнения их с современными образцами мы смогли напрямую увидеть эволюционные отношения между бабочками и бактериями, их инфицирующими». На самом деле ученые сконцентрировались на анализе митохондриальной ДНК, передающейся особи вместе с цитоплазмой яйцеклетки от матери. У инфицированных Wolbachia особей эта молекула претерпевает определенные изменения, однозначно говорящие о заражении.

Счастливчики и неудачники

Оказалось, что из пяти исследованных ливерпульскими учеными популяций четыре претерпели значительные изменения в соотношении полов за последний век -- и все «благодаря» Wolbachia. Что касается популяции, не претерпевшей изменения (филиппинской), то уже экспонаты, собранные энтомологами в 1894-1914 годах, приобрели ген, который подавляет разрушительную по отношению к самцам активность бактерии. В филиппинской популяции все особи оказались заражены Wolbachia, однако это никак не отражается на соотношении полов в популяции. Оно как было, так и остается на уровне примерно 1:1.

Биологи, работавшие в Юго-Восточной Азии и Самоа, сообщали недавно, что в обитающих там популяциях подобный ген появился и распространился очень быстро. В Самоа, например, Wolbachia в 2001 году привела к тому, что только 1% тамошней популяции Hypolimnas bolina остались самцами. Ученые предсказывали гибель вида на территории, однако уже в 2006 году распространенность в популяции подавляющего мужеубийственную активность бактерий гена выросла до 80%, а доля самцов увеличилась до 40%. Музейные экспонаты рассказали ученым о том, что ген этот не нов и существовал уже как минимум 115 лет назад.

Из оставшихся же четырех популяций счастливый ген удалось приобрести только одной, обитающей на малайзийской части острова Калимантан. Если в музейных коллекциях самцов из этого региона очень мало и все они здоровы, то современные их потомки приобрели столь желанный ген: подавляющее большинство самцов являются носителями Wolbachia, а их доля в популяции составляет примерно 50%.

Остальным трем популяциям, с островов Вити-Леву (Фиджи), Таити и Уа-Хука (оба -- Французская Полинезия), не повезло: ни мутации, ни залетные особи пока не одарили их геном, позволяющим вести борьбу с Wolbachia. У фиджийских диадем распространенность бактерии постоянно колеблется. В 1886 году половина особей были заражены, к 1994-му число зараженных достигло 90%, сейчас же снова наблюдается спад: около 59% особей заражены мужеубийственным паразитом. Полинезийским популяциям не повезло совсем. Лишь крошечная доля таитянских бабочек, пойманных в период с 1883 по 1929 год, заражены Wolbachia. Особи же, отловленные в 1931 году на Уа-Хука, не заражены вовсе. Сейчас большая часть полинезийских Hypolimnas bolina носят в своих клетках паразита, беспрепятственно убивающего нерожденных самцов.

Эволюцию найдут в музеях

Авторы работы считают, что ценность их исследования не только в том, что они смогли практически напрямую увидеть и проанализировать эволюцию Hypolimnas bolina. Они указали своим коллегам-эволюционистам новую богатую кладовую для исследований -- музеи естественной истории. По словам ученых, хранящиеся там экспонаты -- безмолвные свидетели эволюции. И теперь появился способ выбить из них показания.

«Мы полагаем, что все возрастающие возможности методов, делающие ДНК музейных экспонатов доступными для исследования, приведут к увеличению использования таких коллекций для поиска ответов на многие вопросы эволюции, -- пишут ученые. -- С появлением высокопроизводительного секвенирования ДНК подобные музейные коллекции для будущих поколений эволюционных биологов окажутся бесценными».

Статья ливерпульских исследователей опубликована в журнале Current Biology.