На первый взгляд может показаться, что это сюжет очередного голливудского триллера: мутировавшее десятилапое существо, которое клонирует само себя, вырывается из заточения и начинает захватывать мир. Атака клонов длится два десятилетия, за это время животное распространяется на двух континентах, что приводит к изменению экосистем и вымиранию некоторых местных видов.
Но на самом деле это история мраморного рака (Procambarus virginalis).
О происхождении вида почти ничего не было известно. Необычные членистоногие появились в 1990-х годах в Германии. Торговцы домашними питомцами начали продавать мраморных раков как украшение для аквариума, но в какой-то момент животные вырвались на свободу и стали рекордно быстро распространяться в дикой природе.
Изучение нового вида, которое предприняли биологи и генетики, преподносит один сюрприз за другим. Как выяснила команда из Немецкого онкологического исследовательского центра в Гейдельберге, основная особенность мраморных раков заключается в том, что все они – генетически идентичные клоны, поскольку самки освоили партеногенез (или «девственное размножение», при котором женские половые клетки развиваются во взрослом организме без оплодотворения).
Ещё в 2015 году исследователи обнаружили, что с видом, вероятно, произошёл какой-то «эволюционный глюк»: из-за мутации самцы мраморных раков не могут оплодотворять самок (потому-то последние и развили способность к самоклонированию, которой, кстати, не обладает ни один вид среди 14 тысяч ракообразных).
Учёные признавались также, что P. virginalis их просто поразили быстротой и внезапностью появления. Чтобы популяцию классифицировали как новый вид, у животных должно развиться множество генетических отличий от родни, на что уходит немало времени. Мраморные раки же совершили этот эволюционный скачок мгновенно – такой феномен чаще наблюдается у растений, а среди животных это большая редкость.
Также авторы выдвинули версию о происхождении нового вида. У мраморных раков обнаружилось не два, как обычно, а три набора из 92 хромосом. Два из них практически идентичны, а вот третий сильно от них отличается. Биологи предположили, что особь нового вида возникла в результате спаривания двух раков, вероятно, родственного вида Procambarus fallax, которые были привезены из разных регионов и случайно оказались в одном аквариуме.
У P. virginalis и P. fallax в итоге нашлись различия в химических модификациях ДНК, которые объясняют плодовитость мраморных раков, говорят исследователи.
Учёные секвенировали геном P. virginalis и изучили их эпигенетические особенности.
Глава исследовательской группы молекулярный генетик Фрэнк Лико (Frank Lyko) рассказывает, что геном мраморного рака оказался примерно на 7% больше человеческого: в нём 3,5 миллиарда пар оснований. А вот вариативность генов совсем низкая, ведь все мраморные раки являются клонами.
Кроме того, исследователи выяснили, что раки-клоны прекрасно чувствуют себя в дикой природе: они уже широко распространены на побережьях европейских и африканских стран, а также в Японии, причём их «репродуктивный успех» и адаптивность к различным условиям стали полной неожиданностью.
Дело в том, что наследование различных копий генов от двух генетически отличающихся родителей обеспечивает потомству хорошую защиту от мутаций и позволяет адаптироваться к меняющимся условиям: генетические перетасовки и рекомбинации создают более вариативные геномы. Без такого разнообразия приспосабливаться к новым условиям окружающей среды очень сложно, потому-то учёные и были так удивлены.
Они уверены, что секрет адаптивности мраморных раков кроется в эпигенетических механизмах. Суть их в том, что к молекуле ДНК прикрепляются химические метки, которые помогают интерпретировать генетическую информацию и работают как переключатели, активируя или дезактивируя те или иные гены.
Лико поясняет: эпигенетические варианты часто зависят от генетических. Но не в случае с мраморными раками, у которых генетической вариативности практически нет.
Особые механизмы эпигенетической регуляции делают новый вид очень интересным не только с точки зрения биологии, но и с точки зрения медицины. Как говорят авторы, раки помогут в исследовании рака (болезни).
Если провести параллель, модель клонального размножения мраморных раков очень напоминает систему размножения раковых клеток, которые тоже умеют хорошо адаптироваться к разной «окружающей среде», например, развивая устойчивость к противоопухолевым препаратам. Более того, опухоли также задействуют собственные эпигенетические механизмы.
Кстати, ещё одно сходство животного и одноимённой болезни – это вредительство, которое они учиняют. Мраморные раки, как оказалось, наносят большой вред экосистемам, в которых распространяются.
По словам Лико, они пожирают улиток, мелких рыбёшек, насекомых, а также некоторые растения. Например, на Мадагаскаре популяция P. virginalis уже угрожает вытеснить семь эндемичных видов. А в странах Европейского союза мраморные раки и вовсе «вне закона»: ими запрещено торговать, разводить их и выпускать в дикую природу.
Теперь команда немецких учёных намерена более подробно изучить роль эпигенетических факторов в эволюции мраморных раков. Эти знания помогут лучше понять процессы, происходящие при онкологических болезнях в организме, а значит, создать новые подходы к их лечению.
Тем временем эволюционных биологов и экологов очень волнует бесцеремонное вторжение клонов: специалисты намерены пристально наблюдать за популяциями мраморных раков. Они признаются, что это редкое эволюционное явление вызывает как беспокойство, так и невероятный интерес.
Научная статья об изучении удивительных мраморных раков опубликована в издании Nature Ecology & Evolution.