Морские рачки эволюционируют быстрее климатических изменений, подтверждая давнюю генетическую теорию

Некоторые копеподы — мелкие ракообразные, играющие ключевую роль в водной пищевой цепи, — могут эволюционировать достаточно быстро, чтобы выжить в условиях стремительного изменения климата. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, даёт ответ на давний вопрос в области генетики.

Копепод Eurytemora affinis длиной чуть более миллиметра в огромных количествах обитает в прибрежных водах океанов и эстуариев по всему миру, служа пищей для молоди рыб, такой как лосось, сельдь и анчоус.

"Это доминирующий прибрежный вид, очень многочисленный и питательный корм для рыб, — говорит Кэрол Юнми Ли, профессор кафедры интегративной биологии Университета Висконсин-Мэдисон и старший автор исследования. — Но они уязвимы к изменению климата".

Солёность океана быстро меняется из-за таяния льдов и изменения режима осадков. "Эти копеподы — морской вид, которому теперь необходимо адаптироваться к значительно более пресной воде в своей среде", — объясняет Ли.

Многие копеподы (и бесчисленное множество других животных) эволюционировали в солёной воде. По мере изменения среды им придётся адаптировать свою физиологию, чтобы выжить.

"Солёность — очень сильный фактор давления в водных местообитаниях", — говорит Дэвид Штерн, ведущий автор исследования.

Исследователи изучили, как некоторые копеподы реагируют на это давление. Они содержали в лаборатории популяцию Eurytemora affinis из Балтийского моря, позволяя им размножаться в воде с привычной солёностью.

Затем учёные разделили копеподов на 14 групп по несколько тысяч особей. Четыре контрольные группы оставались в исходных условиях. Остальные 10 групп подвергались воздействию снижающейся солёности, имитируя давление, вызванное изменением климата. Уровень соли понижали у каждого нового поколения (примерно каждые три недели) в течение 10 поколений.

Исследователи секвенировали геномы каждой линии копеподов в начале эксперимента, а также после шестого и десятого поколений, отслеживая эволюционные изменения. Самые сильные сигналы естественного отбора — где изменения были наибольшими и наиболее частыми в группах, подвергшихся стрессу, — наблюдались в участках генома, важных для регуляции ионов, таких как натриевые транспортеры.

"В солёной воде много ионов, например натрия, которые необходимы для выживания. Но в пресной воде эти ионы становятся дефицитными, — говорит Ли. — Поэтому копеподам нужно эффективно поглощать их из среды и удерживать. Эта способность зависит от ионных транспортеров, которые, как мы обнаружили, подвергаются естественному отбору".

В конце эксперимента оказалось, что копеподы с определёнными генетическими комбинациями ионного транспортера с большей вероятностью выживали в последующих поколениях по мере снижения солёности. Более того, те же варианты генов (аллели), которые обнаружились у выживших в лаборатории копеподов, распространены и в более пресных регионах Балтийского моря.

"При таком количестве генов, кодирующих признаки у наших копеподов, мы не увидели бы наблюдаемой степени параллелизма, если бы что-то его не направляло", — говорит Штерн.

Эксперимент по эволюции стал новым доказательством генетического механизма, называемого положительным эпистазом. При нём положительный эффект варианта одного гена усиливается при взаимодействии с другими ключевыми генами. Эту теорию почти столетие назад отстаивал легендарный профессор генетики Университета Висконсин-Мэдисон Сьюэлл Райт в противовес идее аддитивной эволюции, где эффект каждого гена имеет одинаковый вес и просто суммируется.

"Компьютерное моделирование эволюции в наших экспериментальных условиях предсказывает, что аддитивная эволюция привела бы к гораздо большей вариативности среди наших 10 линий, — добавляет Штерн. — Мы этого не увидели".

Эпистаз долгое время оставался малоисследованным из-за нехватки экспериментальных инструментов. Однако большие объёмы геномных данных современного секвенирования и компьютерного моделирования позволили показать положительный эпистаз в действии при параллельной эволюции и продемонстрировать силу генетики для изучения изменения климата. Авторы показывают, что положительный эпистаз может управлять параллельной эволюцией групп животных, неоднократно благоприятствуя определённым наборам аллелей через естественный отбор.

"Этот копепод даёт нам представление о том, что требуется и какие условия необходимы, чтобы популяция могла быстро эволюционировать в ответ на изменение климата, — заключает Ли. — Это также показывает, насколько важна эволюция для понимания нашей меняющейся планеты и того, как — и даже смогут ли — популяции и экосистемы выжить".