Одна из научно-исследовательских групп, работающих под руководством биолога Стэнфордского университета Элизабет Хэдли, сообщает о наличии прямой связи между глобальным потеплением и эволюцией современной живой природы. В пресс-релизе Стэнфордского университета говорится:
Впервые ученые обнаружили наличие прямой связи между глобальным потеплением и эволюцией современной живой природы. Одна из научно-исследовательских групп, работающая под руководством биолога Стэнфордского университета Элизабет А. Хэдли, опубликовала результаты своих исследований в онлайновом издании журнала "ПлоС байолоджи" от 7 сентября.
"Мы полагаем, что знаем очень много о том, как животные могли бы реагировать на глобальное потепление климата, но мы плохо представляем себе их фактическое генетическое реагирование на изменения окружающей среды", - заявила Хэдли, доцент-биолог Стэнфордского университета.
В этом исследовании она вместе со своими коллегами провела генетический анализ двух видов грызунов, обычно обнаруживаемых в Йеллоустоунском национальном парке в штате Вайоминг - горных полевок (Microtus montanus), и северных гоферованных американских мешетчатых крыс (Thomomys talpoides). Исследователи собрали ДНК живых животных и ДНК из зубов ископаемых видов, останки которых были найдены в Ламар-Кейв - отдаленного района, расположенного недалеко от входа в этот парк.
"Отложение в пещере залегает на глубине девяти ярдов, и мне понадобилось семь лет для того, чтобы провести раскопки и определить характер этих ископаемых останков, - поясняет Хэдли. -В них содержатся сотни тысяч костей, и эти останки представляют собой ископаемые, позволяющие определить их характер на протяжении трех тысяч лет. Эта временная шкала позволяет нам исследовать реальную микроэволюцию в естественных условиях окружающей среды, таким образом, как если бы вы исследовали в лаборатории биологические виды, у которых смена поколений происходит гораздо быстрее, такие виды, как бактерии или плодовые мушки".
Изменение климата и генетика
Для проведения этого эксперимента научно-исследовательская группа сравнивала ДНК полевок и гоферованных американских мешетчатых крыс, обитающих недалеко от Ламар-Кейв с древними ДНК, взятыми из ископаемых останков грызунов, которые населяли этот район в различные периоды времени, начиная с 1000 года до новой эры.
Проводившие эксперимент исследователи особо интересовались животными, которые жили в период двух недавних климатических событий - Средневекового теплого периода (850-1350 гг. н.э.), когда в Северном полушарии наблюдалась тенденция легкого потепления климата, и Малого ледникового периода (1350-1950 гг.), когда это полушарие проходило период охлаждения.
Поскольку полевки и гоферованные американские мешетчатые крысы предпочитают сравнительно влажные лугопастбищные угодья, ученые ожидали сокращения популяций обоих видов в течение Средневекового теплого периода, когда места их обитания высыхали, и роста популяций видов на протяжении Малого ледникового периода, когда климат был более влажным.
Это предсказание подтвердилось в результате анализа многочисленных ископаемых останков в Ламар-Кейв, когда было обнаружено 40-процентное сокращение популяции полевок в течение периода потепления наряду с 50-процентным сокращением числа гоферованных американских мешетчатых крыс. Как и ожидалось, наблюдался значительный рост числа многочисленных ископаемых останков на протяжении Малого ледникового периода по мере повышения уровня осадков.
Эти сведения позволяют установить прямое соотношение между изменением климата и масштабами популяций. Однако, как генетически реагировали отдельные полевки и гоферованные американские мешетчатые крысы на эти эпизоды глобального потепления и охлаждения?
Ранее проводившиеся исследования показывают, что когда та или иная изолированная популяция становится меньше, возрастает родственное спаривание. В результате, выжившее потомство имеет ту же самую ДНК. Со временем подобный недостаток генетического разнообразия может поставить эту популяцию под угрозу, поскольку каждая отдельная особь наследует ту же уязвимость к болезням и другим внешним опасностям.
"Когда вы сокращаете размеры популяции, у вас появляется потенциал ликвидации большого генетического разнообразия, - поясняет Хэдли. - Именно это и случилось с гоферованными американскими мешетчатыми крысами в течение средневекового теплого периода. Мы обнаружили, что они пережили сокращение своей популяции и сужение своего генетического разнообразия, что и можно было предсказать".
Однако полевки по-иному отреагировали на потепление климата. "Они не обнаружили какого-либо сокращения или какого-либо сужения генетического разнообразия даже при сокращении размеров их популяций, - отмечает Хэдли. Это происходит потому, что полевки, как обычно, ищут партнеров по половому процессу.
"Полевки передвигаются с места на место, - подчеркивает Хэдли. - Они довольно свободно распространяются по территории, и это фактически приводит к повышению уровня их генетического разнообразия в то же время, в которое их популяции сокращаются. С другой стороны, гоферованные американские мешетчатые крысы представляют собой пещерных грызунов. Они роют норы и делают проходы, что требует очень больших затрат энергии. Поэтому гоферованые американские мешетчатые крысы стараются оставаться на одном месте".
Вывод
Эти результаты имеют важные последствия для биологии живой природы и ее сохранения, считает Хэдли
"В научном докладе о потенциальном влиянии потепления на эволюцию содержится послание, носящее тонкий подтекст, - утверждает Хэдли. - По мере сокращения их популяции полевки обнаруживают приток новых генов и расширение их генетического разнообразия; это означает что у них имеется связь с другими популяциями. Однако гоферованным американским мешетчатым крысам так и не удалось восстановиться со времен средневекового теплого периода, который закончился менее 1000 лет тому назад. Из этого можно сделать вывод о том, что американские мешетчатые крысы не получают каких-либо натуральных, новых генов из какой-то внешней среды, поскольку эти крысы находятся в условиях изоляции".
Если предыдущие исследования показали, что родственное спаривание обычно имеет место среди больших популяций животных, "наше исследование показывает, что приток генов происходит при небольших размерах популяции, - считает Хэдли. - Таким образом, имеющийся теперь у нас "моментальный снимок", показывающий связи между популяциями, может быть не таким, каким он фактически получается в течение продолжительного периода времени". Это исследование также имеет последствия для менеджеров, занимающихся сохранением живой природы в
более широкой экосистеме Йеллоустонского парка и старающихся поддерживать генетическое разнообразие популяций лосей, бизонов и других млекопитающих.
"Ландшафт Йеллоустонского парка, который, как утверждают, является одной из самых больших, сравнительно нетронутых экосистем умеренной зоны в мире, представляет собой труднодоступную и изолированную местность, и по этой причине там наблюдается меньше связей между популяциями, - поясняет Хэдли. -Этим популяциям, возможно, просто некуда деваться в связи с освоением этих районов или потерей мест обитания, и здесь заложен потенциал роста популяций в период глобального потепления".
Она отметила, что методы, разработанные для данного исследования, предлагают биологам, которые изучают живую природу, уникальный подход
к пониманию долгосрочного воздействия изменения климата на генетику.
"По сути дела, я не знаю другого такого исследования, посвященного изучению организмов в условиях дикой природы, - считает Хэдли. - Никто на самом деле конкретно не изучал то, как окружающая среда влияла на гены в течение периода, составляющего 3000 лет. Мы ожидаем, что и другие виды будут генетически реагировать на потепление климата. Вопрос о том, является ли это воздействие обратимым, может иметь отношение к истории жизни и тому, насколько связаны между собой популяции. Для многих видов еще остается выяснить этот вопрос".
Другими соавторами исследования "ПлоС байолоджи" являются научные сотрудники Стэнфодского университета Ума Рамакришна и Марсель ван Туинен; выпускники Стэнфордского университета Ивон Л. Чан, Ким О'Киф и
Пола А. Спайет, а также Крис Дж. Конрой из Калифорнийского университета в Беркли. Это исследование поддерживалось грантом, предоставленным Национальным фондом науки.
Исследование "Генетическая реакция на климатические изменения: Изучение ДНК ископаемых останков и взгляд на это в контексте филохронологии" размещено на веб-сайте "Плос байолоджи".
Распространено Бюро международных информационных программ Государственного департамента США.