Це переклад статті Грега Ладена How the Venus Flytrap Evolved | ScienceBlogs]
Секрет розуміння еволюції полягає не стільки в тому, щоб знайти правильні відповіді на запитання, скільки в тому, щоб ставити правильні запитання.
Прочитайте це речення двічі, тому що воно дуже важливе.
Багато років тому Ніко Тінберген розробив метод формулювання питань з біології. Я майже впевнений, що його метод не був інтегрований у більшість стандартів науки та навчальних програм. А варто було б.
Є чотири типи запитань, які можна поставити про біологічну систему, рису, або спостереження.
1. Механістичні: Як працює ця річ? Які клітинні процеси беруть участь у метаболічному процесі, або як працюють важелі у суглобі, або як гетеротроф отримує їжу в кишечнику.
2. Онтогенетичні: З огляду на різні частини організму, як вони виникли спочатку під час розвитку? Розглядаючи лише багатоклітинних, усіх їх можна розділити на великі категорії, що мають спільний план тіла, і цей план тіла легко видно на стадії зародка. Дивлячись на повністю сформовану дорослу тварину, на будь-який конкретний орган або частину органу, ми можемо запитати, як ця річ сформувалася під час процесу диференціації цієї конкретної таксономічної категорії? Наприклад, гіпофіз ссавців - це комбінація того, що було б мозком, і того, що було б піднебінням. Це допомагає зрозуміти гіпофіз.
3. Філогенетичні: Як певна риса організму посилюється або обмежується у своєму розвитку або функції предками? У птахів є два або чотири крила (всі птахи з чотирма крилами вимерли). У птахів з двома крилами є дві ноги. Чому б не мати двох ніг, двох рук і двох крил? Тому що птахи еволюціонують у межах таксономічної групи, що має чотири кінцівки, тому крила - це модифіковані версії цих кінцівок.
4. Функціональні: Іноді ці запитання називають "кінцевими", і ця категорія питань, головним чином (але не повністю), стосується природного відбору. Що в цій рисі, або в цій конкретній формі цієї риси у цього виду (або статі певного виду) підвищує пристосованість? Це стосується аспекту риси, який, імовірно, спричинив поширення риси та її типовості, або спричинив те, що певна популяція (популяція з цією конкретною рисою) стала більш представницькою з часом через відбір.
Простіша версія ділить усі риси на дві категорії: "найближчі" та "кінцеві". Найближчі - це безпосередній опис, як це виглядає, як це працює і т.д. Кінцеві - це функціональне питання (номер 4 вище). Я вважаю за краще пам'ятати всі чотири категорії.
До речі, є така річ, як правило Грега про Тінбергенську інквізицію (GROTI). Це не є твердим і швидким правилом природи чи логіки, а лише поширеним явищем. Якщо ви розглянете всі чотири Тінбергенських питання щодо певної риси, одне з чотирьох питань дасть нудну відповідь або тавтологію. Напевно, для цього є глибокі філософські підстави, але правило важливіше як порада для вчителів. Якщо ви хочете навчити по Тінбергенському методу задавати питань про еволюцію на прикладах, вам, ймовірно, знадобиться придумати два або більше прикладів, щоб не зробити один із чотирьох підходів безглуздим. Але я відволікаюся.
Ви хочете знати, як еволюціонувала Венерина мухоловка, і деякі останні дослідження проливають світло на це, розглядаючи онтогенетичні та філогенетичні аспекти відомих рис.
Венерині мухоловки ловлять і потім пожирають комах (або інших дрібних тварин). Причина, чому вони це роблять, може бути пов'язана з поживними речовинами. Захоплення та поглинання тканин комах забезпечує азотом та іншими, часто рідкісними, поживними речовинами. Отже, адаптація відбувається до середовищ з низьким вмістом поживних речовин. Можна припустити, що ця риса була відібрана в середовищах з низьким вмістом поживних речовин, або можна припустити, що це риса, яка виникла в основному випадково, а потім дозволяє рослинам, які це роблять, краще жити в середовищах з низьким вмістом поживних речовин. Або можна не дуже турбуватися цим розрізненням і припустити, що обидві особливості появи риси, ймовірно, беруть участь в еволюційній історії певного виду та його адаптаціях. Але, знову ж таки, я відволікаюся.
Отже, на Венериній мухоловці є датчики, які повідомляють рослині про наявність здобичі. Потім вона різко закривається (це найкрутіше в цій рослині, але ми не будемо тут цього розглядати). Потім здобич занурюється в рідину, відбувається її перетравлення, потім виділяється інша рідина, яка сприяє транспорту поживних речовин до рослини.
Тепер подумайте про рослини в цілому. Вони містять всілякі хімічні речовини, які виконують різні функції. Чи є щось спільне між усіма рослинами серед того, що вони зазвичай роблять, що могло б забезпечити генетичну (а отже, метаболічну або процесуальну) основу для будь-якої з цих функцій?
Так.
На рослинах є волоски, які виявляють наявність можливих травоїдних тварин.
Травоїдні тварини можуть використовувати певні хімічні речовини для розщеплення рослинних тканин для поглинання та перетравлення.
Рослини розвинули хімічні речовини, які розщеплюють ці хімічні речовини.
Хімічні речовини, які протидіють розщепленню рослинних тканин, ймовірно, відлякують травоїдних тварин або обмежують їхню успішність, але вони також можуть розщеплювати деякі молекули, з яких складаються травоїдні тварини.
Тим часом, у рослинах є гени, які експресуються в коренях і виробляють хімічні речовини, що сприяють транспорту поживних речовин з коренів до решти рослини.
Отже, згідно з нещодавньою статтею в Science:
Щоб спіймати безхребетну тварину, яка заплуталася в його пастку, мухоловка використовує давню систему сигналізації. Вона починає дзвонити, коли жертва штовхає тригерні волоски. Волоски, у свою чергу, генерують електричні імпульси, які якось стимулюють залози в пастці для вироблення жасмонової кислоти - того ж самого сигналу, який нехижі рослини використовують для ініціювання захисних дій проти травоїдних тварин. Патерни експресії генів у двох видах рослин підтверджують подібність...
...У нехижих рослинах жасмонова кислота запускає синтез токсинів для самооборони та молекул, які пригнічують гідролази - ферменти, які травоїдні тварини виділяють для розщеплення білків рослини. У рамках своєї контратаки рослини також виробляють власні гідролази, які можуть руйнувати хітин та інші компоненти комах або мікробів. У мухоловці ... тисячі крихітних залоз виробляють і секретують гідролази. Захоплена безхребетна тварина поливається тими ж травними ферментами, які інша рослина могла б використовувати в менших кількостях для відбиття ворога....
Потім рослинні гени кодують хімічні речовини, які допомагають поглинати поживні речовини з комахи.
Дослідження показали, що багато з цих генів є тими самими, які експресуються в коренях інших рослин. "Ми подивилися один на одного і сказали: 'Так, це корінь'", - говорить Хедріх. "Це мало сенс", тому що мухоловка отримує поживні речовини не з ґрунту, а зі своєї здобичі.
Тепер у нас є філогенетичний погляд на значну частину унікальної адаптації до комахоїдності Венериної мухоловки. Як це зазвичай буває, ці нові адаптації є переробкою попередньо існуючих.
І виникають онтогенетичні питання (але їх безпосередньо не розглядається в цьому дослідженні). Як гени та їх продукти, зазвичай знайдені в коренях, потрапили до "шлунка" мухоловки? Чи місце диференціації кореневих структур перемістилося в іншу частину рослини, чи просто гени експресуються в різних клітинах? Це питання спало мені на думку під час читання цієї історії, але я більше зоолог, ніж ботанік. Тварини мають гомеозисні гени, які контролюють загальну диференціацію тканин, і стовбурові клітини, які визначають і обмежують, на різних рівнях, можливі типи клітин у певній частині тварини, що розвивається. У рослин усе інакше. Це одна з причин того, що рослини можуть розмножуватися вегетативно, а тварини рідко роблять щось подібне.
Отже, я запитав у доктора Райнера Хедріха, дослідника мухоловки, який разом зі своєю командою проводив це дослідження, чи це був випадок переміщення кореневої тканини в робочу частину мухоловки або навпаки - експресії генів у тканині, де вони зазвичай не експресуються в рослині.
Він відповів: "Мухоловка розвивається з кінців листків _Dionaea_. Отже, пастка - це лист з одного боку. Внутрішня поверхня пастки вкрита дерниною залоз, і ці залози експресують гени, які інакше зустрічаються в коренях. Таким чином, пастка - це лист із кореневою функцією. Найімовірніше, для забезпечення м'ясоїдності _Dionea_ модифікував транскрипційний фактор або промотор кореневих генів і таким чином спрямував їх у залози."
Отже, історія залишається історією філогенезу, а не онтогенезу. Онтогенетична частина історії нецікава, але функціональні, філогенетичні та механістичні частини історії захоплюють.
Наукова праця:
Venus flytrap carnivorous lifestyle builds on herbivore defense strategies. Felix Bemm, Dirk Becker, Christina Larisch, Ines Kreuzer, Maria Escalante-Perez, Waltraud X. Schulze, Markus Ankenbrand, Anna-Lena Van de Weyer, Elzbieta Krol, Khaled A. Al-Rasheid, Axel Mithöfer, Andreas P. Weber, Jörg Schultz, and Rainer Hedrich. Genome Res. Published in Advance May 4, 2016, [doi:10.1101/gr.202200.115](http://genome.cshlp.org/content/early/2016/04/28/gr.202200.115.abstract?sid=0297b874-3498-4499-a974-13e6fb909045)
