«За молекулами увидеть слона целиком»

Научный журналист Надежда Маркина , канд. биол. наук, поговорила о молекулярных методах в современной биологии с участниками конференции, приуроченной к юбилею Беломорской биологической станции МГУ. Публикуем продолжение материала. В этот раз на вопросы отвечает Анна Андреевна Банникова , докт. биол. наук, вед. науч. сотр. кафедры зоологии позвоночных биологического факультета МГУ, руководитель молекулярно-генетической лаборатории.

Интервью со специалистами по беспозвоночным Александром Цетлиным и Анной Жадан , а также орнитологом Михаилом Калякиным , директором Зоомузея МГУ, см. в предыдущем номере 1 .

— Что изменилось в зоологии в последние десятилетия?

— Изменилось всё. Раньше в биологических науках было некое расслоение: приходят студенты учиться на биофак — и одних интересует молекулярная биология, а другие хотят смотреть в бинокль на птичек или изучать поведение китов, или акустическую сигнализацию и никогда не прикасаться к генетике своих объектов. Сейчас этого нет. Сейчас в любой области для работы на современном эволюционном уровне нужны очень разные знания. И зоология в тот момент, когда она обратилась к молекулярным методам, стала очень широкой наукой, которая находится на стыке многих областей знания.

Например, зоолог, который изучает экологию и поведение верблюда, приспособление его к жестким аридным условиям, сейчас уже не может не изучать это приспособление и на молекулярно-генетическом уровне. Или, скажем, систематик, который хорошо владеет методами морфологического анализа, исследует черепа, чтобы найти диагностические признаки, позволяющие разделить близкие виды, в какой-то момент заходит в тупик. Потому что морфологическая изменчивость внутри одного вида может быть настолько большой, что перекрывает межвидовую изменчивость.

Систематик заходит в тупик, но, если он настоящий ученый, то, продолжая развиваться вместе с наукой, переходит на другой уровень исследований. И вот человек, который сначала сидел в музее и мерил черепа, обращается к хромосомам, анализирует кариотипы 2 , становится кариосистематиком, потому что это требуется для решения поставленных перед ним задач. Но потом оказывается, что и кариотипа недостаточно. И современный зоолог обращается к молекулярной генетике. И с помощью молекулярных инструментов разбирается в том, как морфологическая и генетическая изменчивость коррелируют друг с другом, как и откуда вид расселялся по современному ареалу, где находится центр его разнообразия, где располагались ледниковые рефугиумы. Наконец, опираясь на молекулярную филогенетику и даже филогеномику (то есть оперируя не отдельными генами, а целыми геномами), реконструирует взаимоотношения между таксонами, основываясь на их генеалогических связях, а не на общем сходстве.

И всё это зоологи научились делать сами. Они ловят зверьков, изучают морфологию, делают кариотипы, а потом выделяют ДНК, ставят ПЦР, секвенируют, потом всё это анализируют, осваивают биоинформатику. Получается, что зоолог становится биологом очень широкого профиля. Ни один молекулярный биолог не может быть так широко образован, потому что зоолог должен всё знать о своем объекте исследований, на всех уровнях, включая поведение и экологию. Он за молекулами должен «видеть слона целиком», а наблюдая живого слона, представлять себе, какова его генетика.

И есть еще зоологи, которые занимаются поведением. Например, человек изучает популяционную биологию песчанок, сидит на бархане в пустыне, наблюдает в бинокль за колонией. Колония состоит из многих нор, скольких-то семей, все зверьки по мере возможности помечены, и вот он смотрит, кто куда пошел и откуда вышел. Но если это колония не генотипирована, то выводы о том, кто тут мама, папа, сестра, дедушки и бабушки, кто резидент, а кто пришелец, делаются в основном косвенно. Пока все особи этой популяции не получили «генетические паспорта», невозможно оценить долю мигрантов, которые через нее проходят, степень оседлости.

Что касается родственных связей и системы спаривания, тоже не всё так просто. Данные о том, какие виды моногамные, какие полигамные и насколько вообще полигамия распространена среди млекопитающих, стали более-менее точными только тогда, когда стали генотипировать выводки. Например, как только появились первые данные по генотипам зайчат и зайчих в выводках, то представление о зайцах и диких кроликах как о промискуитетных существах разрушилось. Оказалось, что у них такой же уровень полигамии, как у большинства млекопитающих: два отца для одного выводка — это нормально, но не более двух. С другой стороны, выяснилось, что моногамия — это довольно редкое явление, всего 5% млекопитающих моногамны.

С внедрением в зоологию молекулярных методов шагнуло вперед природоохранное направление. Они позволяют решить вопрос о том, является ли данная популяция какой-то своеобразной эволюционной единицей. Потому что если популяция своеобразна, то к ней нужен отдельный подход, нужно следить за тем, чтобы она не перемешивалась, чтобы не разрушить ее уникальный генофонд.

Известная история произошла с благородными оленями в Испании. Там оленей разводили в охотничьих целях и в какой-то момент решили повысить генетическое разнообразие и улучшить качество рогов. Интродуцировали в популяцию оленей из других частей Европы. Но в результате исходная популяция оленей стала не лучше, а хуже. Выяснилось, что у нее был достаточно своеобразный автохтонный генотип, адаптированный к данным условиям, а «вливание свежей крови» его просто разрушило.

Поэтому в зоопарках, если хотят размножать зверя, то ищут ему пару не только данного вида и подвида, а желательно из той же географической популяции. С помощью генетических маркеров можно построить генеалогическое древо для всех животных в том или ином зоопарке, особенно это важно для редких видов: надо знать, кто папа, кто мама, из какого зоопарка они прибыли, где были пойманы в природе. Ну и в природе, чтобы следить за состоянием малочисленной популяции, например амурского тигра, собирают его ДНК — из шерсти, экскрементов. Так можно определить степень генетического разнообразия популяции, отслеживать, не беспокоя самих животных, не появился ли пришелец.

Сейчас появилось востребованное — я бы сказала, модное — направление, когда раскручивается демографическая история какого-нибудь вида. С помощью анализа ДНК определяют, что происходило с видом в разные моменты времени: какова была его численность, когда наблюдались пики, когда была экспансия, когда депрессия. Еще недавно для того, чтобы проследить демографическую историю, было необходимо большое число образцов из разных точек ареала — не 30, не 50, а лучше сотни образцов, в которых анализировали всего один или не более двух-трех десятков высокоизменчивых локусов (например, митохондриальный ген цитохрома b или микросателлитные локусы ядерного генома). А теперь достаточно одного-двух полных геномов, чтобы по разнообразию всей совокупности аллелей рассчитать динамику эффективного размера популяции во времени.

Помните историю странствующего голубя? Он был истреблен человеком и полностью исчез с лица Земли: в 1914 году в зоопарке умерла последняя самка. Этот вид ( Ectopistes migratorius ) интересен тем, что в XVIII–XIX веках у него случались такие вспышки численности, когда огромные стаи закрывали небо, становилось почти темно, как при нашествиях саранчи, в него из пушек палили, просто так, не ради еды. А потом он исчез, и теперь странствующий голубь включен в список видов, истребленных человеком.

Так вот: десять лет назад вышла статья 3 с результатами секвенирования четырех геномов, полученных из подушечек пальцев птиц из музейной коллекции. И анализ его демографической истории указал на неожиданно низкую эффективную численность странствующего голубя за последний миллион лет. Оказалось, что на протяжении всей истории этот вид испытывал сильные колебания численности — вспышки сменялись глубокими депрессиями. В конце 1800-х годов снижение эффективной и общей численности совпало с воздействием человека, что и привело к вымиранию голубей.

— Какие еще примеры такого рода, касающиеся других видов, можно вспомнить?

— В течение последних 130 лет упадок численности испытывает коала. Для того, чтобы выяснить, происходит ли при этом снижение генетического разнообразия, сравнили митохондриальные ДНК (мтДНК) образцов в современных популяциях и музейных образцов XIX–XX веков. Гипотеза состояла в том, что в исторических образцах изменчивость должна быть выше. Но митохондриальные гаплотипы музейных образцов оказались такими же, как и найденные в современных популяциях 4 . Это означает, что низкая генетическая изменчивость имела место в популяциях коалы еще до падения численности, и в современных популяциях она не указывает на инбридинг или эффект основателя, а просто отражает исторический паттерн.

В общем, методами молекулярной генетики можно узнать много таких эволюционно-экологических фактов по истории наших объектов.

— Как вы считаете, изменилась ли сейчас в принципе концепция биологического вида?

— По разным классификациям концепций вида известно от 7 до 22. Некоторые концепции в интерпретации разных авторов дробятся, в результате, например, существует три филогенетические и четыре генетические концепции. Если говорить более узко, про критерии вида, то критерий скрещиваемости, который долгое время был основным, сейчас размывается. У Добжанского 5 , который был одним из основателей генетической концепции вида, так же, как у Майера 6 , которого считают основателем биологической концепции вида, основной критерий — это полное ограничение генного обмена с другими популяциями (видами) за счет репродуктивных изолирующих механизмов. Со временем появилась так называемая мягкая биологическая концепция 7 , в которой критерий репродуктивной изоляции перестал быть основным, вместо полной изоляции допускается затруднение обмена генами. Допускается возможность гибридизации между видами и обмена геномами.

Но беда всех концепций в том, что они не могут предложить надежного операционального критерия, чтобы практикующий систематик мог его приложить и уверенно сказать: это — вид, а это — внутривидовая категория. Типологическая концепция (морфологическая) оказалась в этом бессильна, потому что для каких-то видов можно ее применить, для каких-то нет, есть криптические виды, которые мы не можем различить по морфологическим признакам; наконец, морфологическая изменчивость внутри видов может быть настолько широкой, что перекрывает межвидовую. Критерий репродуктивной изоляции буксует в случае аллопатрических видов, которые не скрещиваются в природе, потому что они пространственно изолированы, но если вы их посадите в одно ведро, они будут скрещиваться, значит, механизм репродуктивной изоляции здесь не работает. Получается, это не виды? Концепция неприложима также к видам с бесполым размножением и к вымершим формам (потому что про последних нам ничего не известно). А есть эволюционная концепция Симпсона 8 , она вообще теоретическая, операциональный критерий у нее отсутствует начисто. Хотя она очень разумная, потому что включает элемент времени, как никакая другая концепция. Симпсон — палеонтолог, и он принимает во внимание время, он говорит, что виды обладают общей эволюционной судьбой. Но как определить, что есть общая эволюционная судьба и общая ли она у них?

Монгольская песчанка Хомячок Кэмпбелла (Phodopus campbelli) Слепушонка Ellobius tancrei. Фото А. Банниковой Тибетская пеструшка Eulagurus przevalskii. Фото А. Банниковой Монгольская песчанка. Фото А. Банниковой

Только современная генетическая концепция предлагает реальный операциональный критерий, потому что, сопоставляя генотипы, мы можем сказать, каков уровень дивергенции, и можем привести этот уровень дивергенции в соответствие со временем. И на этой основе выдать диагноз, попадает ли уровень дивергенции данной популяции в диапазон внутривидовой изменчивости для данной группы, скажем, для грызунов, или он попадает в диапазон межвидовой изменчивости. Но с одним критерием нельзя подходить ко всем таксонам — от млекопитающих до рыб, птиц, рептилий и т. д. Например, если вы возьмете несколько современных видов лягушек или ящериц, то уровень различия между ними будет гораздо выше, чем между видами млекопитающих, даже не очень близкими, потому что, в частности, даже молодые виды лягушек и рептилий, как правило, старше видов млекопитающих. И даже среди млекопитающих (хищных, например, или китов) это будет один уровень дивергенции, а для грызунов — другой.

В рамках генетической концепции разработаны конкретные критерии, например такой критерий предложен 9 еще в 2001-м Брэдли и Бейкером. Некоторые его ругают, тем не менее он очень удобный и довольно надежный и потому широко используется, но сейчас пока только на мтДНК. В чем он заключается? Проанализировали много-много таксонов млекопитающих и определили, что с некоторого уровня начинается видовой уровень дивергенции млекопитающих. При этом берут близкие виды, скажем, ежей или землероек, или мышей из одного рода. Уверенный видовой уровень дивергенции по митохондриальной ДНК у них будет 8–10%. Если вы получили 2% — это точно внутривидовые формы. А если получили 5%, то вы должны очень сильно напрячься и задуматься о статусе этих форм. Дальше, чтобы принять решение о том, это вид или внутривидовая категория, вам нужно предпринять дополнительные усилия, сделать еще какой-то анализ. Например, подробно изучить морфологию, но если с морфологией не получается, скажем, если это криптические формы, значит, нужно изучить какие-то локусы ядерного генома. Митохондриальная ДНК — это тонкий лед (единственный локус, материнское наследование), и часто оказывается, что по мтДНК мы видим одно, а по ядерному геному — что-то другое.

Сейчас наша группа пытается разработать такой критерий генетического расстояния, внутривидового и межвидового, но на основе ядерного генома, причем не по одному гену, а по многим, и даже на полногеномном уровне.

— На каких животных вы работаете?

— Наша группа намеренно работает на мелких млекопитающих. Потому что у них высокая численность, быстро сменяются поколения, и можно получить много материала для статистического анализа и изучать популяции и виды во времени. К интересующим нас объектам относятся три отряда — грызуны, насекомоядные и рукокрылые. Помимо собственных эмпирических исследований мы используем данные, которые накоплены в Генбанке. Из Генбанка можно почерпнуть данные по другим отрядам — хищным, парнокопытным, непарнокопытным. Главная проблема заключается в том, что для понимания исходных процессов, лежащих в основе видообразования, и для установления иерархии генетических и временных дистанций нужна информация по изменчивости внутри этих видов. А в Генбанке таких данных на уровне полных геномов откровенно мало. Единственное исключение составляет человек.

Продолжение цикла интервью — в следующих номерах ТрВ-Наука

Cреднеазиатская черепаха. Фото А. Банниковой Ушастая круглоголовка (Phrynocephalus mystaceus), Узбекистан. Детеныши обыкновенной бурозубки (Sorex araneus). Заяц-толай (Lepus tolai), Монголия. Пустынный сорокопут (Lanius meridionalis), Монголия. Фото А. Банниковой Серый варан (Узбекистан). Ушастая круглоголовка (Phrynocephalus mystaceus), Узбекистан. Детеныши обыкновенной бурозубки (Sorex araneus). Заяц-толай (Lepus tolai), Монголия. Пустынный сорокопут (Lanius meridionalis), Монголия. Фото А. Банниковой

---

1 trv-science.ru/2024/02/molekulyarnyj-vzglyad-na-raznoobrazie-zhizni/

2 Кариотип (от греч. καρυών — орех, ядро) — совокупность признаков полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип) или данного организма (индивидуальный кариотип).

3 Hung C. M., Shaner P. J. L. et al. (2014). Drastic population fluctuations explain the rapid extinction of the passenger pigeon. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (29): 10636–10641. doi : 10.1073/pnas.1401526111

4 Tsangaras K., Ávila-Arcos M.C., Ishida Y. et al. (2012). Historically low mitochondrial DNA diversity in koalas (Phascolarctos cinereus) . BMC Genet 13, 92.

5 Dobzhansky T. (1950). Genetics of natural populations. XIX. Origin of heterosis through natural selection in populations of Drosophila pseudoobscura . Genetics, 35(3), 288–302.

6 Mayr E. (1942). Systematics and origin of species. Columbia University Press, New York.

7 Coyne J. A., Orr H. A. (2004). Speciation. Sunderland, MA: Sinauer.

8 britannica.com/biography/George-Gaylord-Simpson

9 Bradley R. D., Baker R. J. (2001). A Test of the Genetic Species Concept: Cytochrome-b Sequences and Mammals , Journal of Mammalogy, Volume 82, Issue 4, Pages 960–973.