Как ледниковые водоросли меняют представления об эволюции

Микроскопические водоросли не только эволюционировали, чтобы процветать в одном из самых экстремальных мест на Земле — на ледниках, — но и сами влияют на них.

Вместе с учёными из Великобритании и Канады мы проследили эволюцию пурпурных водорослей на сотни миллионов лет назад. Наши выводы бросают вызов ключевой идее о том, как работает эволюция. Эти водоросли, хоть и малы, оказывают драматическое влияние на ледники, на которых обитают.

Ледники — одна из самых быстро меняющихся экосистем планеты. В летний сезон таяния, когда на ледниках образуется жидкая вода, цветение пурпурных водорослей затемняет поверхность льда, ускоряя скорость таяния. Эта удивительная адаптация требует от микроскопических водорослей контроля над ростом и фотосинтезом, что должно сочетаться с устойчивостью к экстремальному таянию льда, температуре и воздействию света.

Наше исследование, опубликованное в New Phytologist, показывает, как и когда впервые эволюционировали их адаптации к жизни в этих экстремальных условиях. Мы секвенировали и проанализировали геномные данные ледниковой водоросли Ancylonema nordenskiöldii. Результаты показывают, что пурпурный цвет этих водорослей, действующий как солнцезащитный крем, был сформирован новыми генами, участвующими в производстве пигмента.

Этот пигмент, пурпурогаллин, защищает клетки водорослей от повреждения ультрафиолетовым (УФ) и видимым светом. Он также связан с устойчивостью к низким температурам и высыханию — характерным чертам ледниковой среды. Наш генетический анализ предполагает, что эволюция этого пурпурного пигмента, вероятно, была жизненно важна для нескольких адаптаций ледниковых водорослей.

Мы также выявили новые гены, которые помогли повысить устойчивость водорослей к УФ и видимому свету — важные адаптации для жизни в яркой, открытой среде. Интересно, что они были связаны как с усиленным восприятием света, так и с улучшенными механизмами репарации повреждений от солнца.

Эволюция ледниковых водорослей

Земля пережила множество колебаний между холодным и тёплым климатом. Одним из самых драматических холодных периодов был криогений (720–635 миллионов лет назад), когда Земля была почти полностью покрыта снегом и льдом ("Земля-снежок").

Мы задались вопросом: мог ли этот период быть движущей силой эволюции ледниковых водорослей? Проанализировав генетические данные и ископаемые водоросли, мы оценили, что ледниковые водоросли эволюционировали примерно 520–455 миллионов лет назад. Это говорит о том, что их эволюция не была связана со средой "Земли-снежка" в криогении.

Более позднее происхождение указывает, что движущей силой ледниковых адаптаций должен был быть более недавний ледниковый период (учёные считают, что ледниковые среды на Земле существовали непрерывно вплоть до 60 миллионов лет назад).

Однако мы установили, что общий предок ледниковых водорослей и наземных растений эволюционировал как раз вокруг периода криогения. Наш анализ, проведённый в феврале 2024 года, показал, что эти древние водоросли были многоклеточными. Группа, содержащая ледниковые водоросли, утратила способность создавать сложные многоклеточные формы, возможно, в ответ на экстремальные environmental pressures криогения.

Мы продемонстрировали, что эти водоросли стали проще и сохранились до наших дней. Это пример эволюции путём упрощения (редукции сложности), что противоречит устоявшейся гипотезе "марша прогресса" — идее о том, что организмы эволюционируют во всё более сложные версии своих предков.

Наша работа показала, что эта потеря многоклеточности сопровождалась огромной потерей генетического разнообразия. Утраченные гены были в основном связаны с многоклеточным развитием. Это — признак эволюции их простой морфологии от более сложного предка.

За последние 700 миллионов лет эти водоросли выжили, оставаясь крошечными, защищёнными от холода и солнца. Эти адаптации подготовили их к жизни на современных ледниках.

Эта адаптация настолько специализирована, что лишь горстка водорослей эволюционировала для жизни на ледниках (в отличие от сотен видов, обитающих на снегу). Несмотря на это, ледниковые водоросли оказывают огромное влияние на обширные ледяные поля. Например, в 2016 году рост водорослей на ледяном щите Гренландии привёл к дополнительному стоку в 4 400–6 000 миллионов тонн воды.

Наше исследование даёт представление об эволюционном пути ледниковых водорослей из глубокого прошлого в настоящее. В условиях меняющегося климата понимание этих микроскопических организмов является ключом к прогнозированию будущего ледяных сред Земли.