Экологическая ДНК раскрывает скрытых обитателей рифов

Международная исследовательская группа использовала глобальный отбор проб морской воды, чтобы выяснить, какие тропические рифовые рыбы где обитают. Для идентификации видов и семейств они успешно применили остаточную ДНК, выделяемую присутствующими в воде животными. Однако не всех рыб можно отследить таким способом.

Тропические коралловые рифы отличаются высоким видовым разнообразием, особенно среди рыб: по оценкам исследователей, во всем мире коралловые рифы являются домом для до 8000 видов рыб. Однако глобальное потепление и деятельность человека приводят к тревожным темпам исчезновения рифов, а точное количество видов рифовых рыб и их распределение до сих пор не было надежно оценено.

Одна из причин — многие виды рыб ведут скрытный образ жизни, очень похожи друг на друга или частично обитают в открытом море, что затрудняет их обнаружение. Для регистрации присутствия рыб в районе исследования биоразнообразия в основном зависели от визуальных наблюдений дайверов.

Теперь в экологию внедряется новый метод, позволяющий обойти эти трудности: экологическая ДНК (eDNA). Идея подхода заключается в том, что организмы оставляют свой генетический материал или его части в окружающей среде. Исследователям достаточно взять пробы воды в одном месте, выделить содержащуюся в них ДНК (фрагменты) и секвенировать их, то есть определить последовательность строительных блоков ДНК. Затем эти последовательности можно сравнить с референсными последовательностями ДНК от надежно идентифицированных образцов — и определить, встречается ли вид в данном месте.

Именно этот метод использовала международная команда под руководством исследователей из Университета Монпелье (Франция) и ETH Zurich для изучения распространения рифовых рыб. В 2017 и 2019 годах исследователи собрали 226 проб воды на 26 участках в 5 тропических морских регионах. Они выделили и проанализировали ДНК, а затем сопоставили ее с соответствующими видами или семействами.

Обнаружено на одну шестую большее разнообразие

С помощью eDNA исследователи обнаружили на 16% большее разнообразие рифовых рыб, чем с помощью традиционных методов обследования, таких как визуальные наблюдения во время погружений. «Благодаря методу eDNA мы можем обнаружить многие виды и семейства рыб гораздо быстрее, чем с помощью одних только наблюдений», — говорит Лоик Пелисье, профессор экосистем и эволюции ландшафтов в ETH Zurich. Анализы ДНК были завершены всего за два года, в то время как визуальные наблюдения, использованные в исследовании, поступали от множества наблюдателей и охватывают 13 лет наблюдений.

Новый подход позволил обнаружить больше видов, обитающих в толще воды (пелагические), связанных с рифом, а также видов, населяющих многочисленные пещеры и расщелины в рифах (скрытнобрюхие). Дайверы видят или идентифицируют таких рыб реже.

Многие из зарегистрированных пелагических видов предпочитают открытое море или большие глубины. Некоторые принадлежат к семействам, которые избегают дайверов или не живут постоянно на коралловых рифах, например, скумбриевые и тунцы из семейства Scombridae, а также акулы из семейства Carcharhinidae (серые акулы, например, чернопёрая рифовая акула).

Обнаружение этих видов важно, потому что они активно участвуют в функционировании кораллового рифа через свои пелагические личиночные стадии или ночные миграции к рифу. Таким образом, роль этих рыб в экосистеме часто недооценивается.

Визуальные наблюдения (пока) необходимы

Однако не все виды можно одинаково легко зарегистрировать с помощью eDNA, например, губановых (Labridae) или собачковых (Blenniidae). Референсные базы данных охватывают эти богатые видами семейства лишь частично. Из-за этих пробелов значительная часть eDNA, обнаруженной в пробах воды, еще не идентифицирована.

Для дальнейшего развития подхода исследователи активно работают над секвенированием ДНК большего количества видов рыб и пополнением справочных баз данных. Тем не менее, погружения все еще будут необходимы для регистрации некоторых видов, которые плохо обнаруживаются с помощью eDNA, а также для сбора дополнительной информации, такой как размеры рыб или биомасса, которые (пока) нельзя получить из eDNA.

Исключительное разнообразие в Коралловом треугольнике

Исследователи также подтвердили более ранние выводы о том, что состав видов сильно различается между морскими биорегионами. Разнообразие рыб исключительно высоко в «Коралловом треугольнике» между Борнео, Папуа-Новой Гвинеей и Филиппинами — до пяти раз выше, чем, например, в Карибском бассейне. Там особенно многочисленны травоядные (включая виды, поедающие кораллы).

По словам Пелисье, это связано с тем, что на протяжении всей истории Земли Коралловый треугольник был (и остается) очень тектонически активным, создавая широкий спектр местообитаний. Температура поверхности в этой морской зоне также была более стабильной во время ледниковых периодов, что позволило развиться особенно высокому разнообразию.

Карибский бассейн, напротив, в большей степени подвергался воздействию ледниковых периодов, и его коралловые рифы и рыбные запасы сокращались в холодные периоды. Кроме того, более 2,7 миллионов лет назад образовался Панамский перешеек, что, среди прочего, изменило океанические течения в Карибском море. Оба события привели к более высокому уровню вымирания.