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.

И вот такая заметка почти в тему:

Сознание - это вирус?

Ряд учёных пришли к весьма необычным выводам при детальном изучении генетического кода человека. Весьма высока вероятность, что наше сознание и память произошли от древней вирусной инфекции. Роль древних вирусных инфекций в работе нашего мозга описана в двух статьях в журнале Cell исследователями из Университета штата Массачусетс и Университета штата Юта. 

Древний вирус ввел в наш мозг наших предков «чужой генетический код», который дал им память, способность к логическим рассуждениям и сознание. Все это оказывается следствием кода, пробившегося в наш геном 400 миллионов лет назад через вирусную инфекцию четырехногого предка. Информация из вирусных клеток стала частью нашего генетического состава, и в течение полумиллиарда лет она превратилась в ген Arc. Считается, что этот ген определяет, как нервы передают информацию и отвечает за нашу способность мыслить.

Хотя может показаться удивительным, что вирус может стать частью человеческого генома, это оказывается распространенным явлением. Исследование, опубликованное в Cell в 2016 году, показало, что от 40 до 80 процентов человеческого генома развилось благодаря встроенным в ДНК древним вирусам.

Arc упаковывает генетическую информацию и отправляет ее из одной нервной клетки в другую. Он функционируют аналогично вирусам, которые захватывают клетки в наших телах, вводя в них свой генетический код, превращая их в фабрики для производства новых вирусов. Арк записывает свои собственные генетические инструкции в кодирующих молекулах РНК, и защищает информацию вирусоподобной капсулой, пока она перемещается между нейронами. Проблемы с геном Arc вызывают аутизм и другие неврологическими болезни.

Один из авторов исследования, Dr Jason Shepherd, Юта, сказал: «Хотя мы считаем, что вирусные инфекции и вспышки — это плохо, и, конечно же, эти приступы инфекции также предоставляют новый исходный материал для эволюции, чтобы создать новые гены, которые в конечном итоге становятся полезными для организма.