Жуки завоевали Землю, развив собственную биохимическую лабораторию

Почему существует так много жуков? Одной из широко распространённых точек зрения является то, что жуки получили экологическое преимущество, развив надкрылья, что позволило им жить в многочисленных нишах, недоступных другим насекомым. Ещё одна гипотеза заключается в том, что жуки эволюционировали вместе с цветковыми растениями. По мере того как эти растения разнообразились, так же делали и жуки, питающиеся ими.

Однако обе эти идеи не объясняют крупнейшую группу жуков — стафилинид (Staphylinidae), с более чем 66 000 видами, не только крупнейшую среди жуков, но и крупнейшую серию семейств Стафилиниформные — это загадка. Они, кажется, отказались от сильно защитных надкрылий и в основном являются хищниками. Тем не менее, они развились по всей биосфере Земли, захватывая каждую наземную нишу за последние 200 миллионов лет.

Что привело к этому замечательному успеху, является точкой нового исследования учёных из лаборатории Джо Паркера, доцента биологии и биологической инженерии Чена и директора Центра эволюционной науки Калифорнийского технологического института. Под руководством бывшего научного сотрудника Шейлы Китчен, исследование, опубликованное 17 июня в журнале Cell, указывает на эволюцию двух типов клеток, которые формируют химическую защитную железу в теле этих жуков, как на катализатор их глобального расселения.

В 2021 году исследователи из лаборатории Паркера изучили железу у стафилинид, называемую "тергальной железой", структуру на конце их гибкого брюшка. Команда показала, что тергальная железа состоит из двух уникальных типов клеток: одни производят токсичные соединения, называемые бензохинонами, а другие — жидкую смесь (или растворитель), в которую бензохиноны растворяются, создавая мощный коктейль, который жук выделяет на хищников.

В новой работе Китчен, Паркер и их соавторы собрали полные геномы из разнообразного набора видов, охватывающих эволюционное древо стафилинид, и проанализировали гены, экспрессируемые двумя типами клеток железы. Это позволило им обнаружить древний генетический набор инструментов, который эволюционировал более 100 миллионов лет назад, наделив этих насекомых их мощной химической защитой.

Прослеживая молекулярные шаги в эволюции железы, команда идентифицировала важное эволюционное новшество в том, как жуки научились безопасно производить ядовитые бензохиноны. Они обнаружили, что стафилиниды нашли механизм выделения токсинов, который поразительно похож на то, как растения контролируют выделение химических соединений, отпугивающих травоядных. Они связывают токсин с молекулой сахара, делая его неактивным, и затем расщепляют токсин от сахара только тогда, когда химическое вещество безопасно выделяется за пределы клеток жука.

«Это довольно замечательно, что химически защищённые жуки собрали практически тот же самый клеточный механизм, что и растения, чтобы не отравиться своими собственными вредными химическими веществами», — говорит Паркер.

Этот механизм эволюционировал в раннем меловом периоде; после того как он эволюционировал, жуки начали расширяться до десятков или, возможно, сотен тысяч видов. «Это архетипичное ключевое новшество. Как только они нашли это решение, это действительно открыло им путь к эволюционному успеху», — говорит Паркер. Связанные линии стафилинид, у которых нет этой железы, не имели такого же эволюционного разнообразия, их насчитывается всего десятки или сотни видов.

Исследуя химию различных видов, ученые обнаружили, что, хотя два типа клеток, составляющих железу, в значительной степени остались неизменными, химические вещества, которые они производят, могут эволюционировать, адаптируя стафилинид к различным экологическим нишам. Железу можно рассматривать как своего рода химическую лабораторию, в которой вид жуков может синтезировать соединения, необходимые для жизни в новых условиях.

Например, одна группа стафилинид эволюционировала, чтобы охотиться на клещей, и приспособила железу для выделения половых феромонов клещей; другая живет внутри колоний муравьев и производит химические вещества, которые успокаивают высоко агрессивных рабочих муравьев, позволяя жуку жить в симбиозе с муравьями и даже охотиться на них.

«Тергальная железа стафилинид — это невероятное, перепрограммируемое устройство для создания новых химических соединений и эволюции новых взаимодействий», — говорит Паркер. «Она позволила этим жукам достичь экстремальных форм экологической специализации. Без железы они бы не смогли занять странные и удивительные ниши, в которых они оказались».

Интересно, но команда обнаружила, что в одной группе жуков железа стала излишней. По словам Китчен, «видимо, когда вы достаточно долго живете внутри колонии муравьев, состоящей из миллионов агрессивных муравьев, вам больше не нужна железа. Мы обнаружили, что жуки, которые смогли обмануть муравьев, заставив их принять себя в их общества, утратили свои железы в процессе эволюции. Гены набора инструментов железы накопили множество мутаций, приводящих к утрате функции. Колония муравьев — это ужасное место для большинства видов, но для этих жуков это безопасная крепость — они обманули муравьев, заставив их защищать себя».

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