По мере того как на планете Земля диверсифицировались организмы, некоторые ветви древа жизни стали исключительно разнообразными, а другие — гораздо менее разнообразными. Третьи вымерли. Почему эволюция отдавала предпочтение одним группам перед другими, является давним вопросом эволюционной науки.

Жуки являются образцом эволюционного успеха: известно около 400 000 видов — около четверти всех описанных форм жизни — и, возможно, еще сотни тысяч ждут открытия. Красота и разнообразие жуков очаровали юного Чарльза Дарвина и стали предметом подросткового увлечения Альфреда Рассела Уоллеса, одного из первооткрывателей эволюции путем естественного отбора.

Но почему так много жуков? Одно широко распространенное мнение состоит в том, что жуки получили экологическое преимущество за счет развития надкрылий — закаленных щитообразных структур, защищающих полетные крылья, что позволяет им жить во многих различных нишах, к которым другие насекомые не имеют доступа. Другая гипотеза состоит в том, что жуки эволюционировали одновременно с цветковыми растениями. По мере того как эти растения диверсифицировались, менялись и жуки, питающиеся ими.

Тем не менее, обе эти идеи не могут объяснить самую большую группу жуков из всех — стафилиниды (Staphylinidae), обширную группу, насчитывающую более 66 000 видов — не только самое большое семейство жуков, но и самое большое семейство во всем животном мире. Жуки-стафиляки — загадка: похоже, они оставили прочно защищающие надкрылья и в основном ведут хищную деятельность, а не питаются растениями. Тем не менее, они взорвались по всей биосфере Земли, вторгшись во все мыслимые земные ниши за последние 200 миллионов лет.

Что способствовало этому замечательному успеху, так это новое исследование, проведенное исследователями из лаборатории Джо Паркера, доцента кафедры биологии и биологической инженерии, ученого Чена и директора Центра эволюционных наук Калифорнийского технологического института. Исследование, проведенное бывшим постдокторантом Шейлой Китчен, исследование, опубликованное 17 июня в журнале Cell , указывает на эволюцию двух типов клеток, которые образуют железу химической защиты в телах этих жуков в качестве катализатора их глобального излучения.

В 2021 году исследователи из лаборатории Паркера изучили железу стафилина, называемую «тергальной железой», — структуру на кончике их гибкого брюшка. Команда показала, что тергальная железа состоит из двух уникальных типов клеток: один производит токсичные соединения, называемые бензохинонами, а другой образует жидкую смесь (или растворитель), в которой растворяются бензохиноны, создавая мощный коктейль, который жук выпускает при хищники.

В новой работе Китчен, Паркер и их коллеги собрали целые геномы разнообразных видов, охватывающих эволюционное древо стафилина, и проанализировали гены, экспрессируемые двумя типами клеток железы. Это позволило им обнаружить древний генетический набор инструментов, который развился более 100 миллионов лет назад и снабдил этих насекомых мощной химической защитой.

«Сопоставляя геномы, мы были поражены тем, насколько схожей была генетическая архитектура желез у этой огромной группы жуков», — говорит Китчен, который сейчас является доцентом Техасского университета A&M. «Именно тогда, когда мы начали изучать конкретные семейства генов, мы обнаружили сотни древних генов, которые нашли новые функции в железе, а также небольшой, но важный набор эволюционно новых генов.

«Эти новые гены сыграли ключевую роль в развитии странствующими жуками их удивительной химии. Рассказать эту историю стало возможным благодаря нашей фантастической междисциплинарной команде биологов-эволюционистов, химиков-экологов, белковых биохимиков и микроскопистов».

Прослеживая молекулярные этапы эволюции желез, команда выявила важное эволюционное нововведение в том, как жуки эволюционировали, чтобы безопасно производить ядовитые бензохиноны. Они обнаружили, что стафилинцы используют механизм секреции токсинов, который поразительно похож на то, как растения контролируют выделение химических соединений, отпугивающих травоядных животных. Они связывают токсин с молекулой сахара, делая ее неактивной, а затем отделяют токсин от сахара только тогда, когда химическое вещество безопасно секретируется за пределы собственных клеток жука.

«Примечательно, что жуки, защищенные химическим путем, сплели воедино почти тот же клеточный механизм, что и растения, чтобы не отравлять себя своими собственными вредными химикатами», — говорит Паркер.

Этот механизм развился в раннем мелу; после того, как они развили его, жуки начали разделяться на десятки или, возможно, сотни тысяч видов. «Это архетипическая ключевая инновация. Как только они нашли это решение, оно действительно заняло их место, с точки зрения эволюции», — говорит Паркер. Родственные линии стафилинидных жуков, у которых отсутствует железа, не имели такого же эволюционного разнообразия, насчитывая всего от десятков до сотен видов.

Изучая химический состав разных видов, исследователи обнаружили, что, что примечательно, хотя два типа клеток, составляющих железу, остались в основном одинаковыми, химические вещества, которые они производят, могут радикально эволюционировать, адаптируя стафилинцев к различным экологическим нишам. Железу можно рассматривать как своего рода химическую лабораторию, в которой виды жуков могут синтезировать соединения, необходимые для жизни в новых условиях.

Например, одна группа стафилинай эволюционировала, чтобы охотиться на клещей, и перепрофилировала железу на выделение половых феромонов клещей; другой живет внутри муравьиных колоний и производит химические вещества, которые усмиряют очень агрессивных рабочих муравьев, позволяя жуку жить в симбиозе с муравьями и даже охотиться на них.

«Тергальная железа стафилина — это невероятное перепрограммируемое устройство для создания новых химических процессов и развития новых взаимодействий», — говорит Паркер. «Это позволило этим жукам достичь крайних форм экологической специализации. Без железы не было бы возможности проникнуть в те странные и чудесные ниши, в которых оказались эти жуки».

По иронии судьбы, команда обнаружила, что у одной группы жуков железа не соответствовала потребностям. По словам Китчена: «Очевидно, если вы достаточно долго прожили в колонии армейских муравьев, состоящей из миллионов агрессивных муравьев, эта железа вам больше не нужна.

«Мы обнаружили, что жуки, которым удалось обманом заставить муравьев принять их в свое общество, в ходе эволюции потеряли свои железы. В их наборе генов желез накопилось множество инактивирующих мутаций. Колония муравьев — ужасное место для большинства видов, но для этих жуков это безопасная крепость — вместо этого они обманом заставили муравьев защищать их».

Новое исследование подчеркивает, как эволюционные изменения на клеточном уровне могут иметь серьезные долгосрочные последствия для экологического и эволюционного разнообразия. В данном случае это способствует чрезмерной любви природы к жукам.