Эволюция вспять: томаты на Галапагосах возрождают древние яды

На молодых вулканических островах Галапагосского архипелага дикорастущие томаты удивляют ученых, отбрасывая миллионы лет эволюционного развития. Они возвращаются к более примитивному генетическому состоянию, воскрешая древние химические защитные механизмы, которые считались давно утерянными.

Эти растения, чьи предки попали на острова из Южной Америки, вероятно, с помощью птиц, начали производить токсичный молекулярный коктейль, невиданный миллионы лет. По своему составу он напоминает соединения, характерные для баклажанов, а не для современных помидоров. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде назвали это неожиданное явление случаем «обратной эволюции» — термином, который вызывает споры в научном сообществе.

Принято считать, что у эволюции нет кнопки «перемотки назад». Ее рассматривают как однонаправленное движение к адаптации, а не возвращение к утраченным чертам. Хотя организмы иногда вновь обретают признаки своих предков, возврат по тому же самому генетическому пути — явление крайне редкое и трудно доказуемое. Однако, похоже, именно это и происходит с галапагосскими томатами. «Мы обычно не ожидаем такого, — говорит Адам Джозвяк, молекулярный биохимик и ведущий автор исследования. — Но вот оно, происходит в реальном времени на вулканическом острове».

Ключевую роль в этом химическом регрессе играют алкалоиды. Томаты, картофель, баклажаны и другие пасленовые производят эти горькие молекулы, которые действуют как встроенные пестициды, отпугивая насекомых-вредителей, грибки и травоядных животных. И хотя Галапагосы славятся как место, где у животных мало естественных врагов, для растений это не всегда так, что и объясняет необходимость производить защитные токсины.

Исследователи проанализировали более 30 образцов томатов, собранных в разных частях архипелага. Оказалось, что растения на более старых, восточных островах производят те же алкалоиды, что и современные культурные сорта. Но на более молодых, западных островах томаты вырабатывали совершенно другую версию с молекулярной «подписью» родственников баклажана, живших миллионы лет назад. Чтобы понять, как томатам удалось совершить такой переход, ученые изучили ферменты, отвечающие за сборку этих молекул. Они обнаружили, что изменения всего четырех аминокислот в одном-единственном ферменте достаточно, чтобы переключить структуру молекулы с современной на предковую.

Этот вывод был подтвержден в лаборатории. Ученые синтезировали гены, кодирующие эти ферменты, и вставили их в растения табака, которые немедленно начали производить древние соединения. Географическое распределение также не было случайным. На старых, более стабильных и биологически разнообразных восточных островах томаты придерживались современной химии. А на молодых западных островах, где ландшафт более суровый, а почва менее развита, растения перешли на древние механизмы защиты. Исследователи подозревают, что именно суровая среда заставляет их «возвращаться в прошлое». «Возможно, предковая молекула обеспечивает лучшую защиту в более суровых западных условиях», — предполагает Джозвяк.

Несмотря на убедительные данные, называть это «обратной эволюцией» — смелый шаг. «Некоторые люди в это не верят, — отмечает Джозвяк. — Но генетические и химические данные указывают на возвращение к состоянию предков. Механизм существует. Это произошло». Подобное изменение может не ограничиваться растениями. Если это случилось с томатами, теоретически это может произойти и с другими видами, возможно, даже с людьми, если условия окружающей среды изменятся достаточно сильно.

Это исследование доказывает, что эволюция может быть гораздо более гибким процессом, чем мы привыкли думать. Давно утерянные черты способны появляться вновь, а древние гены — просыпаться. Жизнь иногда находит способ двигаться вперед, обращаясь к своему прошлому. «Изменив всего несколько аминокислот, можно получить совершенно другую молекулу, — заключает Джозвяк. — Эти знания могут помочь нам в создании новых лекарств, разработке более эффективной защиты от вредителей или даже в производстве менее токсичных продуктов. Но сначала мы должны понять, как это делает природа».