Влияние хромосомных инверсий на эволюцию малярийного комара — одного из самых опасных для людей насекомых на Земле — раскрыли в своем исследовании ученые Томского государственного университета (ТГУ), 17 декабря сообщает пресс-служба вуза.

Малярийные комары являются одним из самых устойчивых видов, уже почти 180 млн лет существующих на нашей планете. Исследования томских ученых направлены на то, чтобы узнать, что помогает комарам выживать в самых неблагоприятных условиях, приводящих к гибели множество видов других живых существ.

Их вывод — главной причиной такой повышенной выживаемости этих насекомых являются «полезные» мутации, которые в процессе эволюции накопились в их геноме и под давлением отбора распространяются среди них очень быстро.

Результаты генетических исследований малярийного комара рода Anopheles, которые провели ученые ТГУ и других научных центров во всем мире, были представлены в обзорной статье «Хромосомные инверсии и их влияние на эволюцию насекомых» (Chromosomal inversions and their impact on insect evolution), опубликованной в журнале Current Opinion in Insect Science (Q1).

Один из авторов статьи, сотрудник Биологического института (БИ) ТГУ и Политехнического университета Вирджинии (США) Игорь Шарахов пояснил:

«Предмет нашего исследования — хромосомные инверсии. Это вид перестройки, при которой происходит поворот участка хромосомы на 180 градусов. Хромосомные инверсии могут обеспечивать малярийным комарам те свойства, которых эти насекомые не имели ранее, например, устойчивость к засухе или избыточной влажности, к холоду или теплу, приспособление к питанию кровью на новых хозяевах, адаптация к новым патогенам и прочее».

Именно высокая скорость изменений в хромосомах обеспечила, как указал Шарахов, выживаемость малярийных комаров в условиях произошедшего на планете массового вымирания флоры и фауны.

Способность малярийных комаров очень быстро эволюционировать под влиянием окружающей среды по сравнению с крупными животными, такими как динозавры или мамонты, делает их более пластичными в приспособлении к изменяющимся условиям внешней среды, происходящим на протяжении миллионов лет.

Средняя продолжительность жизни динозавров и мамонтов составляла примерно 70–80 лет, при этом половозрелыми они становились лишь к 14–15 годам, тогда как у комаров половозрелость наступает через 7–10 дней после их появления из яйца. То есть за год у комаров могут развиться несколько поколений, в отличие от более крупных животных.

В половых клетках генные и хромосомные мутации возникают спонтанно, и в каждом новом поколении создаются возможности новых мутаций, среди которых могут оказаться полезные для измененных условий окружающей среды, и они будут переданы следующим поколениям.

«В ранее опубликованных исследованиях, в которых мне довелось участвовать, — продолжил свой рассказ Игорь Шарахов, — было показано, что каждая вторая буква ДНК (азотистое основание нуклеотида) в геномах популяций африканских малярийных комаров является полиморфной, то есть имеет мутантный вариант. Для сравнения, в геноме человека такие генные мутации встречаются в 100 раз реже».

Эти генные мутации, в большом количестве накопленные в ходе эволюции, позволяют комарам быстро приспосабливаться к изменениям среды, в том числе вырабатывать устойчивость к инсектицидам, которые применяются для контролирования их численности.

Появление первых динозавров и комаров на Земле произошло примерно в одно время, в триасовом периоде (240–220 млн лет назад). Массовое триасово-юрское вымирание 201 млн лет назад, приведшее к исчезновению, как полагают ученые, до 50% живых существ на Земле, не затронуло динозавров. Наоборот, в последующий период возникло много новых видов, и динозавры оставались доминирующими наземными позвоночными вплоть до их вымирания, произошедшего 66 млн лет назад.

Малярийные комары рода Anopheles появились 179 млн лет назад. Тогда же начало увеличиваться видовое разнообразие цветковых растений, нектаром которых до кровососания питались самцы и самки комаров. Некоторые ученые полагают, что именно малярийные комары поспособствовали вымиранию динозавров.

«Дело в том, что малярия в то время была относительно новой болезнью, и иммунная система динозавров плохо справлялась с паразитами Plasmodium, переносимыми комарами во время кровососания, — пояснил Игорь Шарахов. — Поэтому, когда численность комаров значительно увеличилась в тропических и субтропических условиях мелового периода с 145 до 66 млн лет назад, динозавры много и тяжело болели».

То есть динозавры перед своим вымиранием, которое, как считают многие ученые, было вызвано последствиями падения метеорита на Землю 66 млн лет назад, уже были в состоянии упадка. У современных же рептилий и млекопитающих иммунная система в процессе эволюции приобрела способность бороться с этой болезнью.

После последнего массового вымирания, в котором погибли динозавры, видовое разнообразие малярийных комаров увеличилось вдвое и при этом расширился круг животных, чьей кровью они питались — к выжившим амфибиям и рептилиям добавились млекопитающие и птицы. Сейчас на Земле существуют почти 500 видов малярийных комаров рода Anopheles, из них около 40 могут переносить возбудителей малярии человека.

Есть работы, в которых показано, как у разных видов комаров проходит генетическое приспосабливание к тем или иным условиям. В их числе исследования профессора кафедры цитологии и генетики БИ ТГУ Владимира Стегния, который с соавторами изучал сдвиг частоты температурно-зависимых инверсий у малярийных комаров, происходивший как ответ на изменение климата.

Исследователи установили, что в период с 1975 по 2013 годы в двух сибирских популяциях евразийского вида An. messeae произошло десятикратное снижение частоты инверсии «холодоустойчивости» 2R1.

Другой интересной закономерностью является то, что в схожих условиях даже у далеких друг от друга видов, давно разошедшихся в процессе эволюции, идут одинаковые эволюционные процессы.

В своей обобщающей статье томские ученые делают важные выводы: «Инверсионные полиморфизмы у насекомых существуют в разных пространственных и временных масштабах: они могут быть эволюционно стабильными или быстро возникать в ответ на изменение окружающей среды».