Около 400 миллионов лет назад предок всех четвероногих существ сделал свои первые шаги по суше. Перенесемся вперед примерно на 350 миллионов лет, и потомок этих ранних сухопутных существ сделал разворот: он снова ушел в воду. Со временем из существ, живущих спиной к морю, родятся животные, сильно отличающиеся от своих наземных сородичей: они стали великолепными китами, дельфинами и морскими свиньями, которые сегодня скользят по океанам.

Возвращение к водному образу жизни было решительным шагом, который изменил бы животных внутри и снаружи в течение примерно 10 миллионов лет — мгновение ока с точки зрения эволюции. Члены этой группы, называемой сейчас китообразными, отбрасывали задние конечности из-за мощных трематод и лишились почти всей шерсти. В течение десятилетий их причудливое строение тела ставило в тупик палеонтологов, которые предполагали, что они произошли от таких разнообразных существ, как морские рептилии, тюлени, сумчатые, такие как кенгуру, и даже ныне вымершая группа волкоподобных хищников.

«В целом китообразные — самые своеобразные и аномальные млекопитающие», — писал один ученый в 1945 году.

Затем, в конце 1990-х годов, генетические данные подтвердили, что киты были частью той же эволюционной линии, которая породила коров, свиней и верблюдов — ветви под названием Artiodactyla. Окаменелости из современной Индии и Пакистана позже дополнили это генеалогическое древо, идентифицируя ближайших древних родственников китообразных как маленьких болотных оленеподобных существ.

Но строение их тела — это только начало странностей китообразных. Чтобы выжить в море, им также пришлось внести внутренние изменения, изменив свою кровь, слюну, легкие и кожу. Многие из этих изменений не очевидны в окаменелостях, а китообразных нелегко изучать в лаборатории. Вместо этого, опять же, генетика вывела их на свет.

С увеличением доступности геномов китообразных генетики теперь могут искать молекулярные изменения, которые сопровождали переход обратно в воду. Хотя невозможно быть уверенным в влиянии какой-либо конкретной мутации, ученые подозревают, что многие из обнаруженных ими мутаций соответствуют приспособлениям, которые позволяют китообразным нырять и процветать в глубоком синем море.

Погружение в глубины

Первые китообразные потеряли гораздо больше, чем ноги, когда вернулись в воду: целые гены перестали функционировать. В огромной книге генетических букв, составляющих геном, эти вымершие гены являются одними из самых простых изменений, которые можно обнаружить. Они выделяются как искаженное или фрагментированное предложение и больше не кодируют полноценный белок.

Такая потеря может произойти двумя способами. Возможно, наличие определенного гена было каким-то образом вредным для китообразных, поэтому животные, потерявшие его, получили преимущество в выживании. Или это может быть ситуация «используй или потеряешь», говорит геномист Майкл Хиллер из Исследовательского института Зенкенберга во Франкфурте, Германия. Если бы у гена не было никакой цели в воде, он бы случайным образом накапливал мутации, и животным не было бы хуже, когда он больше не функционировал.

Хиллер и его коллеги погрузились в изучение перехода обратно в воду, сравнив геномы четырех китообразных — дельфина, косатки, кашалота и малого полосатика — с геномами 55 наземных млекопитающих, а также ламантина, моржа и тюленя Уэдделла. Около 85 генов перестали функционировать, когда предки китообразных адаптировались к морю. Научные достижения в 2019 году. Во многих случаях, по словам Хиллера, они могли догадаться, почему эти гены перестали существовать.

Например, у китообразных больше нет определенного гена —SLC4A9—участвует в образовании слюны. В этом есть смысл: что толку от слюны, когда рот уже полон воды?

Китообразные также потеряли четыре гена, участвующих в синтезе и реакции на мелатонин, гормон, регулирующий сон. Предки китов, вероятно, довольно быстро обнаружили, что они не могут дышать на поверхности, если отключают свой мозг на несколько часов. Современные китообразные спят по одному полушарию мозга, а другое полушарие бодрствует. «Если у вас нет нормального сна, каким мы его знаем, то, вероятно, мелатонин вам не нужен», — говорит Хиллер.

Длительные периоды времени, на которые киты должны задерживать дыхание, чтобы нырять и охотиться, также, по-видимому, стимулировали генетические изменения. Глубокое погружение, как известно аквалангистам, означает, что в крови могут образовываться маленькие пузырьки азота и сгустки семян, что, вероятно, было пагубным для ранних китообразных. Как это бывает, два гена (F12 а также КЛКБ1), которые обычно способствуют свертыванию крови, больше не работают у китообразных, что, по-видимому, снижает этот риск. Остальные механизмы свертывания остаются нетронутыми, поэтому киты и дельфины могут заклеивать раны.

Еще один потерянный ген — и этот удивил Хиллера — кодирует фермент, который восстанавливает поврежденную ДНК. Он считает, что это изменение связано и с глубокими погружениями. Когда китообразные подходят подышать, их кровь внезапно наполняется кислородом, а в результате — и реактивными молекулами кислорода, которые могут расщепить ДНК. Отсутствующий фермент — ДНК-полимераза мю — обычно восстанавливает такого рода повреждения, но делает это небрежно, часто оставляя после себя мутации. Другие ферменты более точны. Возможно, полагает Хиллер, мю был слишком неряшливым для образа жизни китообразных, неспособным справиться с объемом реактивных молекул кислорода, образующихся при постоянном нырянии и всплытии на поверхность. Отказ от неточных ферментов и передача работы по восстановлению более точным ферментам, которыми также обладают китообразные, могло повысить шансы на правильное восстановление кислородного повреждения.

Китообразные — не единственные млекопитающие, вернувшиеся в воду, и генетические потери других водных млекопитающих часто аналогичны потерям китов и дельфинов. Например, и у китообразных, и у ламантинов деактивирован ген, называемый ММП12, который обычно разрушает эластичный белок легких, называемый эластином. Возможно, эта дезактивация помогла обеим группам животных развить высокую эластичность легких, что позволило им быстро выдыхать и вдыхать около 90 процентов объема легких при всплытии на поверхность.

Однако глубокая адаптация связана не только с потерей. Одно заметное улучшение связано с геном, который несет инструкции для миоглобина, белка, который снабжает мышцы кислородом. Ученые исследовали гены миоглобина у ныряющих животных, от крошечных водяных землероек до гигантских китов, и обнаружили закономерность: у многих ныряльщиков поверхность белка имеет более положительный заряд. Это заставит молекулы миоглобина отталкиваться друг от друга, как два северных магнита. Исследователи подозревают, что это позволяет ныряющим млекопитающим поддерживать высокие концентрации миоглобина без слипания белков и, следовательно, высокие концентрации мышечного кислорода во время погружения.