На молодых островах Галапагосского архипелага, покрытых черными камнями, дикие томаты делают что-то необычное. Они отметают миллионы лет эволюции, возвращаясь к более примитивному генетическому состоянию, которое воскрешает древнюю химическую защиту.
Эти томаты, произошедшие от южноамериканских предков, вероятно, занесенные семенами с пометом птиц, начали потихоньку производить токсичный молекулярный коктейль, который не встречался миллионы лет и который напоминает соединения, обнаруженные в баклажанах, а не в современных томатах.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде описывают это неожиданное развитие событий как возможный случай «обратной эволюции» - термина, который часто вызывает споры среди эволюционных биологов.
Это потому, что эволюция не должна иметь кнопку перемотки. Обычно ее рассматривают как односторонний марш к адаптации, а не как круговой путь к утраченным ранее чертам. Хотя организмы иногда снова приобретают черты, похожие на черты их предков, это происходит редко и это трудно доказать.
Однако, судя по всему, эти растения томатов делают именно обратный процесс. «Это не то, чего мы обычно ожидаем, - сказал Адам Йозвиак, молекулярный биохимик из Калифорнийского университета в Риверсайде и ведущий автор исследования. - Но вот это происходит в реальном времени на вулканическом острове».
Ключевыми игроками в этой химической инверсии являются алкалоиды. Помидоры, картофель, баклажаны и другие пасленовые производят эти горькие молекулы, которые действуют как встроенные пестициды, отпугивая насекомых-хищников, патогенных грибов и травоядных животных.
Хотя Галапагосы известны как место, где у животных мало хищников, то же самое не обязательно относится к растениям. Отсюда и необходимость производить алкалоиды.
Исследователи начали этот проект, потому что алкалоиды в сельскохозяйственных культурах могут быть проблематичными. В высоких концентрациях они токсичны для человека, отсюда и желание понять их производство и сократить их в съедобных частях фруктов и клубней.
«Наша группа упорно трудилась над тем, чтобы охарактеризовать этапы синтеза алкалоидов, чтобы мы могли попытаться контролировать его», - сказал Йозвиак.
Эти галапагосские томаты интересны не только тем, что они вырабатывают алкалоиды, но и тем, что они вырабатывают неправильные алкалоиды или, по крайней мере, те, которые не были обнаружены в томатах с ранних дней их эволюции.
Исследователи проанализировали более 30 образцов томатов, собранных в разных географических точках на островах. Они обнаружили, что растения на восточных островах вырабатывали те же алкалоиды, что и современные культивируемые томаты. Но на западных островах томаты вырабатывали другую версию с молекулярным отпечатком родственников баклажана, живших миллионы лет назад.
Это различие сводится к стереохимии, или тому, как атомы расположены в трехмерном пространстве. Две молекулы могут содержать совершенно одинаковые атомы, но вести себя совершенно по-разному в зависимости от того, как эти атомы расположены.
Чтобы выяснить, как томаты совершили этот переход, исследователи изучили ферменты, которые собирают эти молекулы алкалоидов. Они обнаружили, что изменение всего четырех аминокислот в одном ферменте было достаточно, чтобы перевернуть структуру молекулы с современной на предковую. Ученые доказали это, синтезировав гены, кодирующие эти ферменты, в лабораторных условиях и внедрив их в растения табака, которые тут же начали вырабатывать старые соединения.
Эта закономерность не была случайной. Она соответствовала географии. Помидоры на восточных, старых островах, которые более стабильны и биологически разнообразны, создали современные алкалоиды. Помидоры на молодых, западных островах, где ландшафт более бесплоден, а почва менее развита, переняли старую химию.
Исследователи подозревают, что причиной смены курса может быть окружающая среда на новых островах. «Возможно, предковая молекула обеспечивает лучшую защиту в более суровых западных условиях», - сказал Йозвиак.
Чтобы проверить направление изменений, команда провела своего рода эволюционное моделирование, которое использует современную ДНК для выведения черт давно вымерших предков. Помидоры на более молодых островах соответствовали тому, что, вероятно, производили эти ранние предки.
Тем не менее, называть процесс «обратной эволюцией» - это смело. Хотя повторное появление старых черт было задокументировано у змей, рыб и даже бактерий, оно редко бывает таким явным или химически точным.
«Некоторые люди в это не верят, - сказал Йозвиак. - Но генетические и химические данные указывают на возврат к предковому состоянию. Механизм есть. Это произошло».
И такого рода изменения могут не ограничиваться растениями. Если это может произойти с томатами, это теоретически может произойти и с другими видами. «Я думаю, это может произойти с людьми – не за год или два, но со временем, возможно, если условия окружающей среды изменятся достаточно», - считает ученый.
Йозвиак не изучает людей, но предположение, что эволюция более гибка, чем мы думаем, серьезно. Давно утраченные черты могут возродиться. Древние гены могут пробудиться. И как предполагает это исследование, жизнь иногда может найти способ двигаться вперед, обращаясь к прошлому.
«Если вы измените всего несколько аминокислот , вы можете получить совершенно другую молекулу, - сказал Йозвиак. - Полученные знания могут помочь нам разработать новые лекарства, разработать лучшую устойчивость к вредителям или даже производить менее токсичные продукты. Но сначала мы должны понять, как это делает природа. Это исследование - один шаг к этому».
Источник: University of California – Riverside. Автор: Жюль Бернстайн.
На фото - деэволюционировавшие виды томата с Галапагосских островов. Автор: Adam Jozwiak/UCR.