Коммерческий вылов ускорил эволюцию промысловых рыб
Исследователи выявили генетические изменения во время быстрой эволюции промысловых рыб, которая происходит под давлением человека, рассказывается в Science. В качестве модельных животных ученые использовали геномы атлантических менидий, которые в условиях селекции вырастают или уменьшаются в размере за пять поколений. Оказалось, что у животных меняется частота аллелей в сотнях не связанных между собой генов, влияющих на скорость роста, а также в блоках связанных генов, играющих роль в адаптации популяции к местным условиям.
Антропогенная активность вызывает эволюционные изменения многих видов. В качестве примера можно привести многие виды промысловых рыб. Из-за интенсивного вылова изменились скорость роста и время размножения многих коммерчески значимых популяций, уменьшая численность животных и препятствуя ее восстановлению. Исследователи показали, что вылов рыбы влияет на экспрессию генов и генетическое разнообразие в популяции, но в целом масштаб изменений пока мало изучен.
«Медленно растущие рыбы будут меньше по размерам и им будет легче не попасться в сети. Поэтому у них больше шансов передать свои гены будущим поколениям. Таким образом промысел рыбы может вызвать быстрые эволюционные изменения в темпах роста и других характеристиках. Мы наблюдаем много признаков таких изменений в диких популяциях, но неизвестно, какими генетическими изменениями они обусловлены», — говорит Нина Теркилдсен (Nina Overgaard Therkildsen) из Корнеллского университета.
Она и ее коллеги продолжили исследование, выполненное в 2002 году биологами из Нью-Йоркского университета. Авторы работы изучали влияние промысла на эволюцию атлантических менидий (Menidia menidia), промыслового вида рыб, которые встречаются у побережья Северной Америки. Исследователи отобрали шесть тысяч рыб, разделили их на шесть популяций по тысяче особей в каждой и искусственно создали условия коммерческого вылова. В двух популяциях они в каждом поколении оставляли по 10 процентов самых больших по размеру рыб (популяции А), в двух других — по 10 процентов самых маленьких особей (популяции Б), а две группы служили контрольными и в них оставляли по 10 процентов животных без учета размера. Исследователи обнаружили, что через пять поколений рыбы из популяций А были в среднем на 25 процентов длиннее, чем особи из популяций В, и весили почти вдвое больше.
Теркилдсен с коллегами исследовали геном замороженных менидий из экспериментов 2002 года. Они собрали геномы 75 особей из начальной популяции и 48-50 животных из пятого поколения в каждой из шести популяций, и исследовали изменения в кодирующих последовательностях ДНК. Для сравнения ученые секвенировали геномы 42-50 особей из четырех диких популяций менидий. Атлантическая менидия обитает в ареале от залива Святого Лаврентия на севере до северо-восточной Флориды на юге. Ареал обитания определяет скорость роста животных: северные популяции рыбок растут быстрее, южные — медленнее. За неимением референсного генома атлантических менидий ученые использовали комплексный транскриптом этих рыб.
Анализ геномов показал, что во всех шести популяциях, участвовавших в экспериментах, уменьшилось генетическое разнообразие. При этом популяциях А и B, в которых особей отбирали по размерам, оно снизилось гораздо сильнее, чем в двух контрольных (p ≤ 0,028). Если раньше исследователи полагали, что генетическое разнообразие промысловых рыб уменьшается из-за эффекта «бутылочного горлышка», то теперь стало понятно, что роль также играет и искусственный отбор по размеру.
Оказалось, что во всех популяциях изменилась частота аллелей (вариантов гена) в сотнях не связанных между собой генов, влияющих на скорость роста. С другой стороны, у некоторых менидий произошел отбор больших блоков генов, которые у других морских видов играют роль в адаптации к местным условиям, например к сливаемым в воду токсичным отходам.
По мнению исследователей, результаты их исследования показывают, что коммерческий вылов влияет на эволюцию промысловых видов рыб. Он может вызывать изменения в геноме, подобные тем, что возникают в разных популяциях одного вида. Теперь у нас появилась возможность обнаруживать такие изменения на генетическом уровне и тем самым лучше понимать скорость, последствия и обратимость подобных изменений.
Ускоренная эволюция у рыб наблюдалась и в других условиях — например, если искусственно выведенных рыб выпустить в дикую природу. Так, зеркальные карпы, оказавшись на воле, за несколько десятков поколений вернули себе чешую. При этом ключевая мутация, ответственная за отсутствие чешуек, у них сохранилась, а чтобы «повернуть эволюцию вспять», они использовали другие гены.
Екатерина Русакова
Это дает основание полагать, что нынешнее ослабление АМОЦ повлияет на весь глобальный климат
Во время последнего ледникового периода потепление на севере Атлантики и ослабление Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (АМОЦ) приводили к изменению количества осадков в удаленных от этой области регионах: области южноазиатских муссонов и субтропиков северного полушария становились более влажными, а регион южноамериканских муссонов — более засушливым. Это удалось установить по изотопному анализу сталагмитов в пещерах на пяти континентах. Подобные события в прошлом могут указывать на то, что нынешние быстрое потепление климата и ослабление АМОЦ будут также иметь последствия для всей атмосферной циркуляции. Такие выводы содержит исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Во время последнего ледникового периода (120-15 тысяч лет назад) происходили быстрые изменения климата в тысячелетнем масштабе, которые получили название осцилляций Дансгора — Эшгера. Они состояли из относительно теплых и холодных фаз и стремительных (в течение десятилетий) переходов между ними. За ходом этих циклов климатологи наблюдают с помощью прокси-данных — ледяных кернов из Гренландии и Антарктиды, а также древних морских и озерных отложений. Наиболее заметно осцилляции Дансгора — Эшгера проявляются в Северной Атлантике, где во время таких событий сокращается площадь морского льда, быстро растет температура воздуха над Гренландией, а также происходит реорганизация Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции. Однако до сих пор глобальные сдвиги в циркуляциях атмосферы и океана во время таких циклов реконструировали лишь по спорадическим и локальным данным — например, сталагмитам в пещерах на севере Турции. Ученые под руководством Йенс Фольмейстера (Jens Fohlmeister) из Потсдамского института изучения климатических изменений исследовали пространственное распределение переходов между холодными (стадиальными) и теплыми (интерстадиальными) фазами осцилляций Дансгора—Эшгера и их влияние на атмосферную циркуляцию. Для этого они использовали данные изотопного анализа о соотношении стабильных изотопов кислорода 18O и 16O. Известно, что во время потепления в пресной воде растет содержание тяжелого изотопа 18O и падает содержание легкого изотопа 16O. Их соотношение описывается показателем δ18O, и в палеоклиматологии его конкретные значения приняты для разных температур. Авторы установили величины δ18O в 111 спелеотемах из 67 пещер, расположенных на всех континентах, кроме Антарктиды. Спелеотемы — это вторичные минеральные отложения, которые образуются в пещерах, например, сталагмиты. Также палеоклиматологи рассчитали средние значения температур и количества осадков за каждое столетие, используя модели из ансамбля CMIP5 с высоким разрешением. Авторы исследования обнаружили, что временной ряд δ18O отражает закономерности переходов от стадиальных фаз к интерстадиальным во всех 111 спелеотемах. Медианная амплитуда интерстадиального перехода δ18O в течение последнего ледникового периода в них составила от −3,1 до +2,4 промилле. Ученым удалось выявить влияние потепления на севере Атлантики и ослабление АМОЦ на климат в удаленных от этого региона широтах. Например, в регионе южноазиатских муссонов (территории нынешних Индии и Китая) и субтропиках северного полушария (Карибский бассейн) интерстадиальные периоды сопровождались выпадением бóльшего количества осадков, чем стадиальные, за счет сдвига субтропической зоны конвергенции на север. В области муссонов в Южной Америки тенденция была противоположной — теплые периоды были более засушливыми. Авторы отметили, что полученные результаты подтверждают влияние потепления в северной части Атлантики и ослабления АМОЦ на глобальный климат: эти события уже приводили к крупномасштабным изменениям количества и сезонности осадков в различных регионах планеты — то есть по сути изменению всей атмосферной циркуляции. Эта связь может служить архетипом для последствий быстрого изменения климата, которое происходит сейчас и также сопровождается таянием Гренландского ледового щита и ослаблением АМОЦ. Недавно ученые смоделировали, как будет меняться АМОЦ в XXI веке, впервые опираясь на данные о температуре морской поверхности в северной части Атлантического океана за последние 150 лет. Согласно их прогнозу, тренд на ослабление этой циркуляции приведет к тому, что АМОЦ с высокой вероятностью не сможет существовать в прежнем виде уже в период 2025-2095 годов.