Генетичне дослідження кліщів домашнього пилу демонструє оборотну еволюцію

В еволюційній біології існує глибоко вкорінене припущення, що ви не можете повернутися додому знову: коли організм сформував спеціалізовані риси, він не може повернутися до способу життя своїх предків.

Існує навіть назва цієї всеосяжної ідеї. Закон Долло стверджує, що еволюція є односпрямованою і незворотною. Але цей "закон" не є загальновизнаним і є темою бурхливих дискусій серед біологів.

Зараз дослідницька група під керівництвом двох біологів Університету Мічигану використала широкомасштабне генетичне дослідження низького кліща домашнього пилу, щоб виявити приклад оборотної еволюції, яка, як видається, порушує закон Долло.

Дослідження показує, що крихітні вільноживучі домашні пилові кліщі, які процвітають на матрацах, диванах і килимах навіть найчистіших будинків, еволюціонували від паразитів, а в свою чергу - від вільноживучих організмів мільйони років тому.

"Усі наші аналізи остаточно показали, що кліщі домашнього пилу відмовились від паразитичного способу життя, вдруге стали вільно проживаючими, а потім видозмінилися в кількох середовищах проживання, включаючи людські житла", за словами Павла Клімова та Баррі Оконнора з Департаменту екології та еволюційної біології UM.

Їх статтю "Чи є оборотний паразитизм оборотним? - Критичні докази ранньої еволюції кліщів домашнього пилу" планується опублікувати в Інтернеті 8 березня в журналі Systematic Biology.

Кліщі - це павукоподібні, пов’язані з павуками (обидва мають вісім ніг) і є одними з найрізноманітніших тварин на Землі. Кліщі домашнього пилу, представники сімейства Pyroglyphidae, є найпоширенішою причиною алергічних симптомів у людей, вражаючи до 1,2 мільярда людей у всьому світі.

Незважаючи на їх величезний вплив на здоров'я людини, еволюційні взаємозв'язки між цими істотами розміром з плямами недостатньо вивчені. За словами Клімова та О.Коннора, існує 62 різні опубліковані гіпотези, які сперечаються про те, чи є сьогодні вільноживучі пилові кліщі породженими від вільноживучого предка або від паразита - організму, який живе на або в одному з видів-господарів та завдає шкоди своєму господареві.

У своєму дослідженні Клімов та О.Коннор оцінили всі 62 гіпотези. Їх проект використовував широкомасштабне секвенування ДНК, побудову детальних еволюційних дерев, що називаються філогеніями, та складний статистичний аналіз для перевірки гіпотез про екологію предків домашніх кліщів.

На філогенетичному дереві, яке вони утворили, кліщі домашнього пилу з’являються в межах великого ряду паразитичних кліщів, Psoroptidia. Ці кліщі є штатними паразитами птахів і ссавців, які ніколи не залишають тіл своїх господарів. Аналіз U-M показує, що безпосередніми паразитичними предками домашніх пилових кліщів є шкірні кліщі, такі як псороптичний кліщ корови худоби та вушний кліщ собак та котів.

"Цей результат був настільки дивовижним, що ми вирішили зв'язатися з нашими колегами, щоб отримати їх відгук перед тим, як надсилати ці дані для публікації", - сказав Клімов, перший автор статті та помічник наукового співробітника кафедри екології та еволюційної біології.

Результат був настільки дивовижним, оскільки суперечить усталеній ідеї, що вузькоспеціалізовані паразити не можуть повернутися до вільного способу життя своїх предків.

"Паразити можуть швидко розвинути складні механізми експлуатації господаря і можуть втратити здатність функціонувати далеко від тіла господаря", - сказав Клімов. "Вони часто стикаються з деградацією або втратою багатьох генів, оскільки їх функції більше не потрібні в багатому середовищі, де господарі забезпечують як життєвий простір, так і поживні речовини. Багато дослідників у цій галузі сприймають таку спеціалізацію як еволюційно незворотну".

Висновки U-M також мають наслідки для здоров'я людини, сказав Оконнор, професор кафедри екології та еволюційної біології та куратор комах та павукоподібних в зоологічному музеї U-M.

"Наше дослідження є прикладом того, як постановка суто академічного питання може призвести до широких практичних застосувань", - сказав він. "Знання філогенетичних взаємозв’язків кліщів домашнього пилу може дати уявлення про алергенні властивості білків, що викликають імунну відповідь, та еволюцію генів, що кодують алергени".

Проект розпочався у 2006 році грантом Національного наукового фонду. Першим кроком було отримання зразків багатьох вільноживучих та паразитичних кліщів - непросте завдання, враховуючи те, що деякі види кліщів пов’язані з рідкісними видами ссавців або птахів у всьому світі.

Для отримання зразків дослідницька група покладалася на мережу з 64 біологів з 19 країн. Крім того, Климов та О.Коннор провели виїзні поїздки до Північної та Південної Америки, Європи, Азії та Африки. Одного разу знадобилося два роки, щоб отримати зразки важливого виду, що паразитує на африканських птахах.

Всього для дослідження було зібрано близько 700 видів кліщів. Для генетичного аналізу в кожному виді було секвенсовано однакові п’ять ядерних генів.

Як міг відбутися екологічний перехід від паразита до стану вільного життя?

Немає сумнівів, що ранні вільноживучі пилові кліщі були мешканцями гнізд - гнізда птахів і ссавців є основним середовищем існування всіх сучасних вільноживучих видів з родини Pyroglyphidae. Клімов та О.Коннор припускають, що сукупність кількох характеристик їхніх предків-паразитів зіграла важливу роль, дозволивши їм відмовитися від постійного паразитизму: толерантність до низької вологості, розвиток потужних травних ферментів, які дозволяли їм харчуватися шкірою та ороговітими (містять білок кератин, що міститься у людському волоссі та нігтях), і низька специфічність господаря з частими переходами до непов’язаних господарів.

Ці особливості, які зустрічаються майже у всіх паразитичних кліщів, були, ймовірно, важливими попередниками, які дозволяли популяціям кліщів процвітати у гніздах господаря, незважаючи на низьку вологість та дефіцитні неякісні харчові ресурси, за словами Климова та Оконнора. Наприклад, потужні ферменти дозволяли цим кліщам вживати важкоперетравлювані перо і шкірні пластівці, що складаються з кератину.

З приходом людської цивілізації пірогліфіди, що населяють гнізда, могли переселитися в людські оселі з гнізд птахів і гризунів, що мешкають в людських будинках або навколо них. Як тільки кліщі переміщаються в приміщенні, потужні травні ферменти та інші молекули, що викликають імунну відповідь, перетворюють їх на головне джерело алергії у людини.

Ця робота була підтримана Національним науковим фондом, а також частково скористалася зразками, зібраними Проектом патогенних мікрогенів, що фінансується Фондом Дейві та Фондом медичних досліджень доктора Ральфа та Маріан Фальк. Молекулярна робота проводилась у лабораторії геномного різноманіття Музею зоології U-M.