Фенотипическая пластичность позволяет предсказывать эволюционные изменения у жуков-навозников

Фенотипическая пластичность — это способность организма формировать разные фенотипы в ответ на различные условия среды. Пластичность может выражаться на уровне анатомии, физиологии или поведения. В современной биологии аспекты влияния фенотипической пластичности на эволюционные процессы — в качестве движущего или ограничивающего фактора (или обоих одновременно) — вызывают большой интерес. Как и во многих других случаях, важным ключом к решению загадок природы в условиях эксперимента является подбор подходящего модельного объекта. Для ученых Индианского университета этим объектом оказались жуки-навозники: они демонстрируют широкий спектр пластичности в морфологических, физиологических и поведенческих признаках. В марте этого года вышли сразу две статьи, посвященные этому вопросу. Основной результат: изучение фенотипической пластичности в эксперименте действительно позволяет предсказывать некоторые, но отнюдь не все (это было бы слишком просто) изменения, протекающие при адаптации к новым средам за несколько поколений.

В традиционной эволюционной биологии основное внимание уделяется генам и изменению генов и частот генов в ряду поколений. Онтогенетическое развитие рассматривается как некое промежуточное звено на пути от генотипа к фенотипу — но не как особый фактор, способный предопределить ход эволюции. В последнее десятилетие, однако, угол зрения начал существенно меняться. Появилась сначала формула эво-дево («эволюция плюс развитие», от англ. evolutionary developmental biology), а затем — и эко-эво-дево («экология плюс эволюция плюс развитие»), которые развиваются как теоретические концепции, стремящиеся учесть сложные обоюдонаправленные взаимовлияния между всеми составляющими.

Экологическая составляющая здесь подразумевает неоднозначность программы реализации развития: организм может менять ход реализации программы в ответ на определенные изменения параметров среды. Более того, организм сам вносит вклад в изменение среды, в одних случаях — с ущербом для себя, а во многих других эти изменения носят выраженный адаптивный характер. К примеру, люди научились разводить мясных и молочных животных, тем самым обеспечивая себя постоянным бесперебойным источником питания. На этом же примере можно видеть и обратное — влияние подобных средо-преобразующих стратегий поведения на эволюцию самого организма, ведь именно появление практики разведения и доения коров стало предпосылкой для распространения генов усвоения лактозы у взрослых людей.

Исследователи под руководством Армина Мочека (Armin P. Moczek) из Индианского университета в Блумингтоне опубликовали две работы, которые демонстрируют влияние разных аспектов пластичности поведения жуков-навозников на процессы эволюции и диверсификации в данной группе.

Жуки-навозники относятся к Скарабеинам — одному из разнообразнейших подсемейств (около 5000 видов из около 300 000 видов жуков всего), представители которого распространены на всех континентах, за исключением Антарктиды. Все виды навозников используют навоз в качестве основного источника питательных веществ как на стадии личинки, так и на стадии имаго (взрослого насекомого). Все они демонстрируют косвенную заботу о потомстве (то есть эта забота не подразумевает непосредственного контакта родителей с потомками), которая выражается у разных видов в трех основных формах. Наиболее простой вариант — самка откладывает яйца прямо в кучу навоза. Второй вариант — скатывание навозных шариков. Шарики закатываются в специально подготовленные ямки, и в каждый шарик самка откладывает по одному яйцу. Таким образом, каждый шарик должен обеспечить необходимое питание для роста и метаморфоза одной личинки. Третий вариант — рытье туннеля под навозной кучей, куда потом затаскиваются кусочки навоза, опять же, представляющие собой заготовки для питания личинок, развивающихся из отложенных самкой яиц. Схематично эти стратегии показаны на рис. 2.

Рис. 2. Три стратегии заботы о потомстве, распространенные среди жуков-навозников. I (tunnellers) — самки прокапывают ходы (туннели) под кучей навоза и закатывают в них навозные шарики, в каждый из которых откладывает одно яйцо. II (dwellers) — самки просто откладывают несколько яиц прямо в навозную кучу. III (rollers) — навозные шарики отделяются от кучи навоза и закатываются в норки, подготовленные где-то в стороне от самой кучи. Для каждой стратегии приведен один из родов, ее использующий. Рисунок с сайта grazingguide.net

Двурогий калоед (Onthophagus taurus, рис. 1), как и прочие представители обширного рода Onthophagus, относится к когорте туннельщиков. Именно этот вид стал объектом исследования в обсуждаемых далее работах. Естественным первичным местообитанием для него является Средиземноморье. Одна из любопытных особенностей данного вида — полифенизм (см. Polyphenism) самцов, то есть наличие у них двух альтернативных фенотипов. У большинства самцов есть пара красивых изогнутых рогов, и внешне и по назначению схожих с рогами быков. При помощи этих орудий самцы оберегают своих самок (рога у которых отсутствуют, вместо них есть лишь небольшие бугорки) от посягательств других самцов. Однако часть самцов рождается безрогими и использует другую тактику размножения: они не охраняют своих самок, а оплодотворяют чужих, маскируясь под них и не вызывая подозрений у самцов-телохранителей.

Какой будет стратегия у конкретного самца — определяется на этапе личиночного развития и зависит не от генетических различий, а от количества питания: рога формируются только при условии, что к определенному моменту развития масса личинки превышает некоторое пороговое значение (рис. 3). Есть весомые основания предполагать, что регуляторный механизм этих процессов включает в себя инсулиноподобные гормоны, концентрация которых зависит от количества получаемых питательных веществ и интенсивности метаболических процессов (показано, что такие механизмы есть у насекомых, хотя и не конкретно у данного вида; см. D. J. Emlen et al., 2006. Insulin signaling and limb-patterning: candidate pathways for the origin and evolutionary diversification of beetle 'horns').

Рис. 3. а — последовательность стадий развития личинки жука-навозника и этапы, на которых начинают оформляться будущие рога. Формирование рогов начинается только при условии, что личинка к этому моменту развития превысила по массе критический порог. b, c — личинки до и после формирования рогов. На фото с показана личинка в преднамеренно вскрытом навозном шарике. Рисунок из статьи D. J. Emlen et al., 2006. Insulin signaling and limb-patterning: candidate pathways for the origin and evolutionary diversification of beetle 'horns'

Около 50 лет назад (в начале 1970-х годов) жуки этого вида были завезены в Австралию в качестве биологического средства борьбы с избытком навоза, производимого рогатым скотом, который был завезен в Австралию еще раньше. Примерно в это же время (в 1971 году) двурогий калоед попал и в восточные области США — на этот раз непреднамеренно. За прошедшее время (прошло около 100 смен поколений) и в Америке, и в Австралии жуки успели сформировать заметные отличия от исходной европейской формы — как по внешним (морфологическим) признакам, так и по особенностям поведения и развития, предоставив замечательный материал для работы эволюционных биологов. Достоверно установленные различия затрагивают 6 признаков:
    1) Размер тела: американские жуки крупнее, а австралийские мельче, чем европейские.
    2) Средний относительный размер рогов (у самцов, имеющих рога): у американских жуков они больше, а у австралийских меньше, чем у европейских.
    3) Размеры (масса) заготавливаемых навозных шариков: в среднем у австралийских они больше, у американских — меньше, чем у европейских.
    4) Глубина камер, в которых размещаются шарики: «австралийцы» делают их в среднем менее глубокими, а «американцы» — более глубокими, чем «европейцы».
    5) В лабораторных условиях в течение одного репродуктивного сезона (за несколько дней) самки австралийских жуков заготавливают в среднем больше навозных шариков (и, соответственно, откладывают больше яиц), чем американские.
    6) Доля выживших личинок, успешно развившихся во взрослых жуков (в условиях лаборатории, где каждая самка размещается в индивидуальном контейнере и располагает достаточным количеством навоза, за который не приходится конкурировать), у австралийских жуков выше, у американских ниже. По последним двум показателям, как, впрочем, и по всем остальным, европейские жуки занимают промежуточное положение.

Целью проведенных исследований было выявление связей между фенотипической пластичностью (Phenotypic plasticity) и формированием разнообразия фенотипов жуков-навозников.

Первое исследование, опубликованное в журнале Animal behavior, было сделано на выборке жуков исходной средиземноморской формы, собранных на территории Испании. Сами эксперименты проводились в США, в лаборатории Индианского университета. Авторы обращают внимание на то, что все описанные формы жуков обитают в близких широтах (в районе 33–37 градусов северной или южной широты) и, соответственно, схожих климатических условиях. Вместе с тем, плотность популяций, а следовательно, и уровень конкуренции для жуков из Америки и из Австралии различается очень существенно: в Америке на кучу навоза приходится всего несколько жуков, каждая куча лежит несколько дней и успевает засохнуть, прежде чем разберется жуками. В Австралии же на одной куче может жить больше сотни особей, и уничтожается она полностью за каких-нибудь 4–5 часов. Логично предположить, что именно разницей в плотности населения и объясняются вышеуказанные фенотипические различия между формами.

Исследователи решили поставить эксперимент с искусственно созданной разной плотностью населения на европейских жуках. Задача состояла в выяснении следующих вопросов:
    1) Будут ли европейские жуки демонстрировать фенотипические изменения в ответ на изменения плотности населения по всем или только по некоторым из параметров, отличающих американские и австралийские формы?
    2) Совпадут ли направления фенотипических изменений по признакам в экспериментальных условиях с отклонениями признаков в природных популяциях?
    3) Различаются ли уровни фенотипической и эволюционной пластичности в зависимости от типа признака (морфология, материнское поведение, размножение)?

До начала эксперимента жуки (200–300 особей) содержались две недели при 24°С в большом контейнере с почвой, куда регулярно порционно подкладывался свежий коровий навоз. Эксперименты проводили на насекомых, которые сами были рождены уже в лаборатории, дабы индивидуальный опыт диких матерей и отцов не внес помехи в получаемые результаты. В рамках эксперимента были созданы небольшие искусственные популяции с низкой плотностью, имитирующие условия, близкие к условиям естественной среды американских жуков (одна самка и один самец на двухлитровый контейнер диаметром 15 см) и с высокой плотностью, имитирующие естественные условия жизни австралийских популяций (по 10 самок и самцов на такой же контейнер). Глубина слоя почвы в контейнере составляла 7 см — это слишком мелко, чтобы самка считала целесообразным приступать к рытью тоннелей и откладке яиц.

По прошествии трех недель всех самок в паре с самцом из каждого экспериментального контейнера рассадили в глубокие индивидуальные контейнеры (глубина слоя почвы 28 см), снабженные достаточной порцией навоза (по 200 г на контейнер), и дали 5 дней на спаривание и откладку яиц. Далее исследователи пересчитывали и взвешивали навозные шарики, замеряли глубину туннелей, а дав завершить развитие личинкам, определяли все остальные вышеперечисленные параметры: размер тела, относительный размер рогов у самцов и долю успешно развившихся жуков. Всего в анализе оказалось задействовано 6 пар, содержавшихся в условиях низкой плотности, и около 30 пар, содержавшихся в условиях повышенной плотности.

Результаты вышли следующими: два из шести оцениваемых признаков — относительный размер рогов и глубина туннелей — никакой статистически значимой разницы в зависимости от плотности содержания не показали. Однако глубина кладки в любом случае варьировала в очень широких пределах (рис. 4).

Рис. 4. Результаты эксперимента по фенотипическому ответу жуков из Испании на условия пониженной и повышенной плотности популяции. Изображение из осуждаемой статьи в Animal Behavior

Для остальных четырех признаков достоверная зависимость от плотности популяции была выявлена. При этом только два из них изменялись в том же направлении, что и в соответствующих природных популяциях: количество заготавливаемых шаров было больше при более высокой плотности, а размер тела был больше при меньшей плотности популяции.

Оставшиеся два признака — размеры заготавливаемых шаров и доля выживающих личинок — тоже зависели от плотности насекомых при содержании, но изменялись противоположным образом, чем вк природных популяциях. Развитие считали не завершенным успешно, если жук не появлялся из заготовленного навозного шарика через 7 недель после кладки (это время было эмпирически определено заранее как предельно возможное время развития у двурогих калоедов). Весьма вероятно, что эта пара признаков находится в прямой зависимости друг от друга (ведь для успешного развития личинка должна получить достаточное питание). Как уже было сказано, в природе австралийские жуки делают более крупные шары, причем авторы ссылаются на более раннюю работу, показавшую, что данное поведение у жуков этой популяции генетически закреплено и не зависит от плотности при содержании. Между тем испанские жуки, содержавшиеся в контейнерах с повышенной плотностью населения, делали шары меньшего размера.

Точные причины такого рассогласования установлены не были, но авторы предлагают несколько вариантов объяснений. Во-первых, могло быть неполное соответствие условий эксперимента природной обстановке: ведь на этапе собственно репродукции пары отделялись в обособленные контейнеры, в то время как в природе насекомые остаются на всех этапах в условиях высокой скученности и жесткой конкуренции. Во-вторых, возможно, что этот показатель может находиться под влиянием отбора со стороны других факторов среды, действующих в Австралии и не учтенных в данном эксперименте (химический состав навоза местных коров, например). В-третьих, всё дело может быть просто в том, что искусственно созданная экстраординарная для испанского вида ситуация повышенной скученности требует иного ответа (в рамках фенотипической пластичности), нежели ответ, оптимальный (и поддерживаемый отбором) в условиях постоянной высокой плотности популяции на протяжении множества поколений.

Таким образом, можно подвести следующий итог: если направление изменений по механизму фенотипической пластичности оказывается стабильно полезным для успешного воспроизводства в новых условиях, можно ожидать появления дополнительных мутаций, стабилизирующих соответствующие уклонения при постоянном сохранении данных условий от поколения к поколению. Такой процесс предсказывался теоретическими моделями и еще в 50-х годах был продемонстрирован в экспериментах на дрозофилах Конрадом Уоддингтоном (C. H. Waddington, 1953. Genetic assimilation of an acquired character). Он же предложил термин для его обозначения: генетическая ассимиляция. Если же реализуемые механизмами фенотипической пластичности отклонения в новых условиях в долгосрочной перспективе оказываются контрадаптивными, то ожидаемо, напротив, закрепление компенсаторных мутаций, которые будут изменять характер реакции в обратную сторону.

Помимо всего прочего в ходе эксперимента выявилась еще одна любопытная закономерность: навозные шары, в которые были заключены личинки самцов, оказались достоверно больше тех шаров, в которых развивались самки. Выходит, матери навозников заранее знают пол откладываемого яйца? Это более чем неожиданно, и авторы, не берясь за объяснения, оставляют этот вопрос для будущих исследований.

Второе исследование, опубликованное в журнале Oikos, касалось пластичности материнского поведения и индивидуального развития в зависимости от температурных параметров среды. На этот раз эксперименты проводились со всеми тремя разновидностями жуков — испанской, австралийской и американской. Каждый эксперимент предусматривал содержание пар (самца и самки) либо в нормальных условиях (24°С), либо в условиях повышенной температуры (контейнер помещался под нагревающую лампу, так что у поверхности насыпанной почвы температура составляла 32°С, а по мере углубления плавно снижалась до 27°С у дна). Глубина почвы в контейнере составляла 21 см.

Ученые предоставляли жукам все необходимые условия для скрещивания и откладки яиц — само собой, включая хорошую порцию свежего навоза и достаточное время (5 дней). Затем столбики почвы разбивали на трети по высоте (7 см верхнего слоя, средняя треть и 7 сантиметров у дна), в каждой трети подсчитывали и взвешивали обнаруженные шары, а потом каждый шарик помещали в небольшую чашку со стерильной почвой и инкубировали до вылупления потомства. При этом как в контрольной, так и в экспериментальной группе половину шаров инкубировали при 24°С, а половину — при 32°С. Далее с вылупившихся жуков (первое поколение, F1) снимали мерки. От них, уже при нормальных условиях (24°С), получали второе поколение (F2), чтобы оценить потенциальные эффекты негенетического наследования проявлений фенотипической пластичности, индуцированной температурным стрессом. Вся эта схема изображена на рис. 5.

Рис. 5. Схема эксперимента по адаптации жуков к отклонениям температуры почвы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Oikos

В результате выяснилось следующее (рис. 6):
    1) В контейнерах с повышенной температурой поверхности почвы самки всех трех разновидностей достоверно чаще закапывали навозные шары на большей глубине — там, где температура более низкая (более близкая к оптимальным 24°С).
    2) Все три географические разновидности демонстрировали однотипные ответы на инкубирование личинок поколения F1 при повышенной температуре (32°С): снижение выживаемости личинок (в разной степени), сокращение сроков завершения развития и более мелкие размеры вылупившихся жуков.
    3) При последующем раунде размножения мелкие самки поколения F1 из выборки, подвергшейся воздействию высокой температуры на этапе личиночного развития, имели общую тенденцию заготавливать меньшие навозные шары и размещать их на меньшей глубине (по-видимому, им просто было трудно делать более крупные шары и рыть более глубокие туннели). Потомство F2 от таких самок также было склонно к ускоренному развитию и более мелким размерам тела, хотя их развитие протекало уже при нормальной температуре. Таким образом, здесь налицо признаки негенетического наследования.

Рис. 6. Пластичность реакции самок на отклонения температуры. Цветами показаны относительные доли числа шаров, заготовленных самками жуков из разных географических регионов в условиях оптимальной (Mild) или повышенной (Hot) температуры на глубине 0–7 см (Top), 7–14 см (Middle) и 14–21 см (Bottom) от поверхности. Видно, что при повышенной температуре шары гораздо реже заготавливались на глубине менее 7 см, чем при оптимальной температуре. Следует заметить, что заглубление на каждый сантиметр стоит самкам большого количества сил и времени (измеряемого часами). Рисунок из обсуждаемой статьи в Oikos

Здесь авторы обращают внимание на то, что все описанные эффекты в естественной природе легко можно было бы принять за генетически обусловленные (например, устойчивые различия географических рас по размерам тела), в то время как реальность может быть сложнее и интереснее.

И еще можно обратить внимание на следующий момент: поскольку матери отвечают на повышенную температуру поверхности тем, что заглубляют туннели туда, где температура более низкая, они могут компенсировать негативные влияния воздействия неоптимальных температур. Таким образом, пластичность поведения матерей может содействовать более широким возможностям расселения с освоением новых климатических зон. Все эти моменты очень существенны для понимания механизмов эволюции новых внутривидовых и надвидовых форм.

Источники:
1) Anna L. M. Macagno, Eduardo E. Zattara, Onye Ezeakudo, Armin P. Moczek, Cristina C. Led?n-Rettig. Adaptive maternal behavioral plasticity and developmental programming mitigate the transgenerational effects of temperature in dung beetles // Oikos. 2018. DOI: 10.1111/oik.05215.
2) Sofia Casasa, Armin P. Moczek. The role of ancestral phenotypic plasticity in evolutionary diversification: population density effects in horned beetles // Animal Behavior. 2018. DOI: 10.1016/j.anbehav.2018.01.004.

См. также о фенотипической пластичности и генетической ассимиляции:
1) Неадаптивная фенотипическая пластичность затрудняет видообразование, «Элементы», 09.12.2015. 2) Неадаптивная пластичность ускоряет адаптивную эволюцию, «Элементы», 07.09.2015. 3) Сообразительность помогает синицам-гаичкам выживать в суровых зимних условиях, «Элементы», 05.05.2015. 4) А. Марков. Ненаследственная изменчивость тоже влияет на эволюцию. 5) Большие синицы и без естественного отбора приспосабливаются к более раннему наступлению весны, «Элементы», 14.05.2008. 6) Выведена гусеница, меняющая цвет при нагревании, «Элементы», 09.02.2006.

Татьяна Романовская