Джонатан Лосос - Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов

Сорняки, заполоняющие наши лужайки и сельскохозяйственные угодья, насекомые и грызуны, поедающие наш урожай, комары, разносчики болезней – всех их объединяет одно: они переиграли нас в наших попытках контролировать их [62] Например, почти у шестисот видов членистоногих развилась устойчивость к тому или иному пестициду. . И так же, как и в случае с микробами, это дается нам ценой миллиардов долларов и десятков тысяч жизней.

Эволюция резистентности к пестицидам (сюда же можно отнести инсектициды и гербициды [63]) имеет множество параллелей с эволюцией устойчивости к антибиотикам. Подобно большинству микробов, у сельскохозяйственных вредителей появилось широкое разнообразие способов противостоять нашему химическому арсеналу, включая изменения в поведении, которые минимизируют контакт с пестицидами; вариации наружной поверхности шкуры, не позволяющие пестицидам проникнуть внутрь. А также они освоили приемы превращать пестицид во что-то еще, изолировать его внутри тела как ненужный орган или быстро выводить его из организма. Либо могут происходить модификации в молекулярной структуре, спровоцированные пестицидом. Из-за этой массы возможных вариантов популяции одного вида, оказываясь под воздействием определенного пестицида, часто адаптируются по-разному.

С другой стороны, многие пестициды являются коммерчески успешным продуктом, потому что воздействуют на одни и те же биохимические механизмы, которые есть у многих вредителей. В результате у многих видов развились одинаковые, зачастую идентичные, способы сорвать эти атаки. Так, к примеру, у некоторых видов комаров [124]наблюдается одинаковое изменение ДНК с целью адаптироваться к инсектициду диэльдрину. Точно так же более чем у тридцати различных видов насекомых [125], включая мух, блох, тараканов, мотыльков, трипсов, тли, жуков и поцелуйных клопов, возникло одинаковое изменение в ДНК с целью выработки устойчивости к пиретроидам.

И точно так же, как в случае с микробами, когда у вредителей возникают конвергентные механизмы резистентности к пестицидам, наша способность ответно воздействовать на них усиливается. И здесь хорошим примером являются пестициды, полученные из бактерии Bacillus thuringiensis (Bt).

По неизвестным причинам этот почвенный микроорганизм вырабатывает белки, которые смертельно опасны для насекомых. Ученые определили эти белки и применили их в качестве инсектицидов. Изначально эти инсектициды распыляли на зерновые культуры, но с конца 1990-х несколько видов зерновых стали генно-модифицированными и вырабатывают белки сами. Количество фермерских угодий [126], засеянных зерновыми культурами, произведенными по биотехнологиям, в настоящее время необычайно огромно: в 2013 году общая площадь во всем мире составляла двести миллионов акров, включая две трети всего зерна в Соединенных Штатах и свыше трех четвертей хлопка в основных странах-производителях.

В лабораторных экспериментах резистентность к токсинам Bt возникла сразу, в меньшей степени в полевых исследованиях. Эти токсины связывают белки в пищеводе насекомых. Резистентность развивается преимущественно за счет мутаций, которые участвуют в выработке этих связывающих белков. К примеру, устойчивость к одному типу токсина [127]эволюционировала во многих популяциях трех видов гусениц в результате мутаций в гене, который вырабатывает связывающий токсин белок под названием кадгерин. И точно так же семь видов гусениц [128]конвергентно эволюционировали, выработав резистентность за счет мутаций, разрушающих в пищеводе белок, который транспортирует молекулы через мембраны.

Вывод о том, что мутации в нескольких генах эволюционируют повторно, имеет важное значение для осуществления противодействия эволюции резистентности несколькими способами. Во-первых, популяции вредителей можно регулярно отсеивать, выискивая появление специфических резистентных мутаций. Эти фильтры включают методы определения мутаций, найденных у лабораторных или полевых популяций. Когда такие аллели удается определить рано, то можно предпринять специальные меры, чтобы не допустить широкого распространения мутации.

Если говорить в более широком смысле, то факт обнаружения того, что в популяциях повторно и одинаково эволюционирует резистентность, может подстегнуть попытки модифицировать ген Bt в зерновых культурах, чтобы обойти этот механизм. Так, когда ученые обнаружили, что у насекомых развивается резистентность за счет блокирования процесса связывания с кадгерином, они модифицировали токсин Bt таким образом, чтобы он связывался с другими белками, полностью обходя кадгерин.

Это вовсе не означает, что конвергенция – чудодейственное средство. Даже в случаях, подобных случаю с Bt-токсином, фильтры эффективны только для поиска ранее определенных конвергентных мутаций. Другие мутации в том же самом гене могут остаться необнаруженными, а тем более там, где задействованы другие гены и резистентные механизмы (на самом деле ранее сообщалось о фактах обнаружения неконвергентно возникших в других генах мутаций, так же как и о многих прочих механизмах Bt-резистентности). А в случае со многими другими пестицидами знание того, что резистентность эволюционировала конвергентно, не гарантирует появления новых методов изучения.

НАШЕ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ выходит далеко за рамки применения антибиотиков и пестицидов. Мы меняем мир бесчисленными способами. Иногда проблемы, которые мы создаем, слишком велики, и тогда происходит сокращение и исчезновение разных видов. Но во многих других случаях в игру вступает естественный отбор, и виды начинают адаптироваться к новым условиям обитания.

В силу изменений, вызванных человеческой деятельностью, конвергентная эволюция была впервые описана как реакция на загрязнение нами окружающей среды. Адаптация растений к почве, зараженной тяжелыми металлами, и мотыльки с темным окрасом в загрязненной местности были самыми первыми примерами. И эти примеры постоянно накапливаются. Один хорошо изученный случай [129]связан с маленькой рыбкой, обитающей в морских лиманах вдоль атлантического побережья Северной Америки. Атлантическая гетерандрия, дальний родственник вида, изучаемого в Тринидаде Эндлером и Резником, способна выживать в местах с повышенным уровнем загрязнения, где могут жить лишь немногие другие виды. Команда, возглавляемая учеными из Калифорнийского университета, изучила четыре популяции, которые стойко переносили загрязнение (они обитали вдоль всего Восточного побережья) и установили, что у них независимо друг от друга видоизменилась схожая физиология, что сделало их нечувствительными даже к самым высоким уровням загрязняющих веществ, включая диоксин. Геномный анализ указывал на то, что мутации в одном и том же наборе генов играли важную роль в этой адаптации во всех четырех популяциях.