На вопросы, лежащие в основе секвенирования генома, того, как возникает разнообразие и какова его генетическая основа, можно великолепно ответить на примере морского конька, потому что многочисленные уникальные особенности морского конька эволюционировали в течение короткого времени. Вот как исследователи, работавшие рядом с биологом-эволюционистом профессором Акселем Мейером, смогли идентифицировать генетическую основу исчезновения зубов морского конька: несколько генов, которые присутствуют во многих рыбах, а также у людей и способствуют развитию зубов, были потеряны у морских коньков.
Морскому коньку больше не нужны зубы из-за особого способа употребления пищи. Вместо того, чтобы жевать свою добычу, он просто всасывает ее с огромным отрицательным давлением, которое может создать своей длинной мордой. Та же генетическая потеря относится к генам, которые способствуют обонянию: морские коньки охотятся визуально и имеют очень хорошее зрение, используя свои глаза, которые могут двигаться независимо друг от друга.
Таким образом, обонятельные ощущения, кажется, играют лишь второстепенную роль.
Особого внимания заслуживает потеря тазовых плавников.
С точки зрения эволюции, они имеют то же происхождение, что и человеческие ноги. Важный ген tbx4, отвечающий за эту особенность, был обнаружен почти у всех позвоночных, но отсутствует в геноме морского конька. Чтобы проверить функцию этого гена, в дополнение к анализу генома был проведен функциональный анализ.
Для этого соответствующий ген был деактивирован методом CRISPER-cas у рыбок данио, генетической модельной системы. В результате эти рыбы лишились тазовых плавников.
Это доказало важность этого гена в «нормальном» развитии тазовых плавников.
Помимо потери генов, были обнаружены дупликации генов во время эволюции морского конька.
Когда ген дублируется, копия может выполнять совершенно новую функцию. У морского конька, вероятно, именно так часть недавно созданного гена делает возможной мужскую беременность. Предположительно, эти гены регулируют беременность, например, координируя вылупление эмбрионов в выводковой сумке самца. После вылупления эмбриона активируются дополнительные гены.
Авторы исследования предполагают, что эти гены вносят вклад в процесс, при котором мальки покидают выводковый мешок самца.
Согласно этому исследованию в Nature, эволюция не только действует через изменение основных ролей генов, но также влияет на регуляторные элементы (генетические переключатели) во время эволюции. Регуляторные элементы – это сегменты ДНК, которые контролируют функцию генов.
Некоторые из них практически не меняются в процессе эволюции, поскольку выполняют важные регулирующие функции. Но в морских коньках не хватает нескольких таких неизменных и, казалось бы, важных элементов.
Это также и особенно касается элементов, которые отвечают за типичное развитие скелета у рыб, но также и у людей. Вероятно, это одна из причин, почему скелет морского конька был так сильно изменен. В нем отсутствуют ребра, например.
Вместо этого его тело бронировано костяными пластинами, которые добавляют силы и улучшают защиту от хищников. Кроме того, его цепкий вьющийся хвост позволяет морским конькам маскироваться и оставаться неподвижными, держась за водоросли или кораллы.
Последовательности генома предполагают, что потеря соответствующей регуляторной последовательности привела к этой оссификации.
Благодаря своей особой морфологии морской конек великолепно демонстрирует, как генетические изменения могут привести к эволюционным изменениям отличительных черт – и, следовательно, к лучшему пониманию генетической основы эволюции причудливых и красивых организмов, таких как морские коньки.