Саламандрите ни карат да преосмислим еволюцията


 

Саламандрите от вида Necturus lewisi (наричани още водни кученца), от река Нюс в Северна Каролина, водят доста муден живот, сякаш обременен от някаква невидима тежест. Този ендемичен пъстро кафяв саламандър, дълъг приблизително колкото човешка ръка, рядко се отдалечава от скривалищата си под скали и под трупи в реките на Северна Каролина. Той „ловува“, като стои неподвижно в речното корито, чакайки насекомо да преплува около него, след което само се накланя напред, за да погълне жертвата с един съвсем нехаен рефлекс. Това животно прекарва целия си живот, затворено във водата, подобно на една огромна ларва, която никога не завършва докрай своята метаморфоза, с отпуснати крака, твърде малки за тялото му, пръсти, които не са приключили своето развитие, липсваща горна челюстна кост и подпухнали ларвни хриле, изпъкнали от шията му.

Ако погледнете животното отблизо става очевидна и друга странност: клетките му са до 300 пъти по-големи от тези на гущер, птица или бозайник. Можете да видите с обикновена лупа отделни кръвни клетки, които преминават през капилярите в прозрачните му хриле.
Necturus lewisi и някои други саламандри представляват дългогодишна загадка, която учените започват да разбират едва сега. Странните черти на животното произтичат от един скрит товар: всяка от клетките му е претъпкана с 38 пъти повече ДНК от човешката клетка. Така че тези лениви “водни кученца” имат най-големия геном от всички четирикраки животни на тази планета. Единствените съпоставими с тях животни от всякакъв вид са двойнодишащите риби (Dipnoi), които също като тях имат лениви наклонности.

Повечето геноми на бозайници, птици, влечуги и риби попадат в eдин тесен диапазон от половин милиард до шест милиарда базови двойки на ДНК. Основните двойки образуват гени – връзки в дълга верига, които съставляват генома на животното. Но геномите на саламандрите варират в гигантски диапазон – от 10 милиарда до 120 милиарда базови двойки (10 до 120 гигабази). Саламандрите нямат повече гени от другите животни; вместо това техните геноми са претъпкани със сегменти от паразитна ДНК, които са се размножили извън контрол. Всичко в живота им е доминирано от огромния им геном, който ги тласка към крайно бавен начин на съществуване. През целия си живот те се движат с недоразвити тела, опростени мозъци и сърца, крехки като хартиени торбички, понякога в продължение на 100 години. 


РЕКЛАМА:

***

В замяна на това бреме обаче саламандрите са придобили поне една невероятна способност – регенерацията. Те могат да възстановят не само крайниците си, но и до една четвърт от мозъка си, ако бъдат загубени поради някаква злополука, а това са удобни предимства за оцеляване.
Саламандрите дължат своите странни черти на своята ДНК, но не по начина, по който бихме очаквали. ДНК често се нарича и кодът на живота, който съдържа точната информация, определяща структурата и функцията на всяка клетка във всеки вид. Но последните открития за саламандрите променят тази дългогодишна представа за фино настроения геном. Те разкриват, че ДНК също така оформя своя притежател по начини, които нямат нищо общо с информационното ѝ съдържание. При по-големи количества ДНК може да изкриви телата и органите подобно на криво огледало за забавления. Ние, хората, всъщност може би сме близо до границата на изкривяванията, така че ако направим генома си по-голям това може да компрометира най-голямото предимство на нашия вид – нашата интелигентност.

Що се отнася до саламандрите, човек би трябвало да се чуди как така това тяхно бреме не ги е довело до изчезване. Като те дори могат доста успешно да се движат в сложни и неструктурирани среди благодарение на впечатляващата си координация между тялото и крайниците. Но тяхната упоритост подсказва, че в нашата идея за еволюцията, особено за „оцеляването на най-способните“, има сериозно моралистично пристрастие: Работете усилено, млади видове, усъвършенствайте тялото и мозъка си за по-висока производителност и някой ден ще успеете.
Но в разрез с тази идея саламандрите дължат успеха си на излежаването. Те са намерили начин да измамят системата.

 

Издути геноми

Мистерията на гигантските геноми започва в ключов момент преди десетилетия, още от времето когато биолозите идентифицират ДНК като наследствена молекула на живота. Геномът, уникален за всеки вид, съдържа хиляди гени, съставени от ДНК, които инструктират клетките да произвеждат протеини и други молекули, правещи организма това, което е.

Първоначално изследователите предполагат, че напреднали видове със сложни организми, като приматите и хората, ще имат повече гени и следователно по-големи геноми. Но Алфред Мирски и Ханс Рис от Рокфелеровия институт за медицински изследвания отменят това схващане през 1951 г. Те измерват количеството ДНК в отделни клетки от няколко десетки животински видове. За тяхна изненада африканската двойнодишаща риба и гигантският саламандър от югоизточната част на САЩ от род amphiuma, имат десетки пъти повече ДНК в клетките си, отколкото хората, плъховете, птиците или влечугите. След като учените по-мащабни изследвания сред повече видове, става ясно, че саламандрите и двойнодишащите риби са извънредни случаи.

 

Африканска двойнодишаща риба (Protopterus aethiopicus).

 

През следващите десетилетия изследователите получават по-детайлен поглед върху гигантските геноми. Когато учените за пръв път изследват група северноамерикански видове саламандри, наречени плетодонтиди (Plethodontidae), откриват че въпреки, че на вид те изглеждат почти идентични, геномите им варират от 18 до 55 гигабази – около пет до 16 пъти повече от човешкия геном, който има 3,06 гигабази.
При всички видове ДНК веригата е навита в познатите ни усукани структури, наречени хромозоми. Но при видовете с по-големи геноми формата на хромозомата изглежда увеличена, като надут балон от такива структури. Изглежда, че допълнителната ДНК е разпръсната по цялата дължина на хромозомите.

Първоначално учените нямат представа какъв е този допълнителен материал, но през 80-те години откриват, че клетките на други видове, от мухи до хора, съдържат „паразитна“ ДНК – къси ДНК сегменти, наречени транспозони, които смътно наподобяват вируси. Транспозоните съдържат няколко гена, позволяващи на паразита да прави свои копия, които след това се вмъкват, понякога произволно, в други части на генома на клетката.

Изследването на гигантски геноми върви бавно в продължение на няколко десетилетия. Учените полагат доста труд, за да секвенират напълно геномите на плодови мухи, червеи и хора, но повечето от тях избягват саламандри, чийто чист обем ДНК би бил кошмар да се справят с него. Тогава през 2011 г. Рейчъл Мюлер, еволюционен биолог от Щатския университет в Колорадо, направи сериозна крачка напред. Тя и нейните колеги използват високопроизводително секвениране, за да анализират стотици хиляди произволни ДНК фрагменти от шест вида плетодонтидни саламандри, както и друг вид, наречен hellbender. Резултатите потвърждават това, което учените вече подозират – геномите на саламандъра всъщност са пренапомпани с транспозони. Много от едни и същи транспозони присъстват както в плетодонтидите, така и в хелбендера, което предполага, че паразитите за първи път са се размножили извън контрол при прародителя на всички живи саламандри, преди повече от 200 милиона години.

 

Цялата статия, както и много други, можете да прочетете в новият Брой 154 на списанието.

Подаряваме ти първите 8 статии  от брой 154 тук>>


Европейска нощ на учените 2022 г.: