Замена единственного нуклеотида помогла арктическим сапсанам увеличить дальность миграций

Сапсаны, которые гнездятся на востоке российской Арктики, совершают более далекие перелеты, чем их сородичи из западной части региона. К такому выводу пришла команда орнитологов из Китая, России и Великобритании, изучив перемещения этих птиц с помощью GPS-передатчиков. Согласно генетическому анализу, ближние и дальние мигранты разошлись около двадцати трех тысяч лет назад. При этом у последних исследователи обнаружили особый вариант гена аденилатциклазы 8, который положительно влияет на работу долговременной памяти — это необходимо, чтобы запоминать длинные миграционные маршруты. К сожалению, как отмечается в статье для журнала Nature, к концу века все популяции сапсанов из арктической Евразии сильно сократятся из-за климатических изменений.

Каждый год миллионы перелетных птиц возвращаются в Арктику, чтобы за время короткого, но изобильного лета отложить яйца и выкормить птенцов. Орнитологи пока не до конца понимают, какие именно факторы управляют этой впечатляющей миграцией. В частности, остается плохо изученной генетическая подоплека перелетов птиц. Между тем, без этого знания сложно предсказать, смогут ли птицы приспособиться к климатическим изменениям, которые в Арктике идут быстрее, чем где-либо в мире.

Команда китайских, российских и британских исследователей, которую возглавил Сянцзян Чжань (Xiangjiang Zhan) из Китайской академии наук, решила разобраться в наследственных факторах, влияющих на миграции сапсанов (Falco peregrinus). Эти крупные соколы гнездятся почти по всему миру, в том числе в арктической части Евразии.

В центре внимания исследователей оказались птицы из шести регионов: с Кольского полуострова и Ямала, острова Колгуев, с реки Попигай (протекает по северу Красноярского края), из дельты Лены и с нижнего течения Колымы. В 2009-2015 годах орнитологи отловили здесь 56 сапсанов, взяли у них образцы крови и перьев и пометили GPS-передатчиками для отслеживания миграционных путей. Это позволило реконструировать перелеты 41 особи. Передатчики некоторых птиц собрали данные о всего одной осенней миграции, в то время как другие записали до пяти осенних и четырех весенних перелетов.

Чжань и его коллеги выяснили, что большинство сапсанов покидают Арктику в сентябре и добираются до мест зимовки к октябрю, преодолев от двух до десяти тысяч километров. Птицы, наблюдения за которыми велись больше одного года, придерживались постоянных маршрутов миграции (по словам авторов, это позволяло им все время находится в подходящих климатических условиях), зимовали в одних и тех же местах и гнездились в пределах пяти километров от определенной точки. При этом сапсаны из разных регионов в подавляющем большинстве мигрировали разными маршрутами, которые совпадали только у особей с Кольского полуострова и острова Колгуев). Интересно, что соколы из западных популяций (с Кольского полуострова и Колгуева) преодолевали в среднем 3680 километров за один перелет, а из восточных (с Ямала, Попигая, Лены и Колымы) — 6134 километра. На основании этого авторы отнесли первых к ближним мигрантам, а вторых — к дальним.

Проанализировав геномы 35 птиц из четырех популяций, Чжань и его соавторы выяснили, что предки ближних мигрантов (с Кольского полуострова и Колгуева) отделились от предков дальних (с Ямала и Колымы) во времена последнего ледникового максимума, около двадцати трех тысяч лет назад (затем, около одиннадцати тысяч лет назад, разделились ямальская и колымская популяции, а десять с половиной тысяч лет назад — кольская и колгуевская). Тогда численность арктических сапсанов была выше, поскольку подходящая для их размножения местность занимала более обширные территории по сравнению с сегодняшним днем.

Авторы полагают, что в эпоху последнего ледникового максимума арктические сапсаны придерживались иных миграционных маршрутов, чем сейчас, и отправлялись в Юго-Восточную Азию через Индию — то есть двигались на юго-восток, а не на юго-запад. К середине голоцена естественные климатические изменения сократили пригодную для гнездования арктических сапсанов область и сместили ее далеко к северу. В результате птицам пришлось изменять и удлинять маршруты перелетов.

Миграционные маршруты, которых придерживаются сапсаны из разных популяций, заметно отличаются друг от друга с точки зрения климатических условий. Поскольку птицы из конкретных регионов Арктики адаптированы к конкретным путям перелетов, попытки воспользоваться альтернативными путями будут энергетически более затратными и повысят риск гибели особи. Таким образом, маршруты изолированы друг от друга прежде всего за счет экологических ограничений. Кроме того, как показало дополнительное исследование геномов птиц, представляющих пять популяций, различия в миграционных стратегиях закрепились на генетическом уровне.

В поисках генетических вариантов, связанных с определенными путями миграций, авторы проанализировали 37 генов-кандидатов и остановили внимание на гене ADCY8. В 34 из 38 изученных гаплотипов дальних мигрантов он оказался представлен одним вариантом, которому присвоили номер два. Для сравнения, из 26 гаплотипов ближних мигрантов в одиннадцати присутствовал номер два, в шести — номер один, а еще четыре варианта встречались от одного до четырех раз. Это указывает, что у дальних мигрантов идет интенсивный отбор по гену ADCY8. Сравнив работу вариантов один и два на клетках кур, исследователи пришли к выводу, что второй вариант гена работает более активно.

Более тщательный анализ гена ADCY8 выявил в нем однонуклеотидный полиморфизм — часть мотива CGTCA, сайта связывания для фактора транскрипции CREB. У всех дальних мигрантов первый нуклеотид этого мотива сменился на T, что освободило его от метильных меток. В результате активатору транскрипции CREB1 стало легче связываться с сайтом, что повысило активность гена ADCY8 у сапсанов из восточных популяций.

Из предыдущих исследований известно, что ADCY8 играет роль в работе долговременной памяти. Он кодирует производство фермента аденилатциклазы 8, которая катализирует превращение АТФ в цАМФ (циклический аденозинмонофосфат). Последний выполняет функцию вторичного посредника и фактора регуляции других связанных с памятью генов. Неудивительно, что сапсанам из числа дальних мигрантов необходим более активный ADCY8, ведь они должны держать в памяти более длинные маршруты. Хорошая память этих птиц проявляется в том, что, по сравнению с ближними мигрантами, они сохраняют большую верность миграционным путям (p <0,001). По расчетам авторов, дальние мигранты приобрели замену в мотиве CGTCA около девятнадцати тысяч лет назад, то есть уже после разделения с ближними.

На заключительном этапе работы Чжань и его коллеги смоделировали, какое будущее ждет арктических сапсанов в условиях меняющегося климата. Оказалось, что к 2070 году места размножения и зимовки этих птиц сместятся к полюсу примерно на два градуса, причем на Кольском полуострове исчезнет 93 процента существующих местообитаний, а на Колгуеве — 100 процентов. Это ставит данные популяции под наибольший риск вымирания (кроме того, они будут вынуждены уменьшить длину миграционных маршрутов или вовсе отказаться от перелетов). Впрочем, птицам из числа дальних мигрантов климатические изменения тоже не пойдут на пользу: из-за них им придется дважды в год преодолевать на 286 километров больше. Это повысит смертность птиц и отрицательно скажется на размерах популяции.

Модели, составленные авторами, показали, что все популяции сапсанов из арктической Евразии по разным причинам сокращались в течение последних 150 лет (одним из важных факторов было распространение хлорорганических пестицидов с 1960 годов). В будущем этот процесс продолжится из-за изменений климата: по оценке исследователей, снижение ожидает все шесть изученных популяций. Как виду сапсану вымирание не угрожает, поскольку он распространен по всей планете и многочислен, однако судьба его северных популяций отражает плачевное положение, в котором к концу века рискуют оказаться многие виды птиц, гнездящиеся исключительно в Арктике.

Изменения климата несут много проблем для северных птиц. Например, из-за роста температур в Арктике усилилась активность хищников, которые разоряют гнезда куликов. Если раньше тундра служила для этих птиц безопасной гаванью, то теперь здесь гибнет две трети их кладок, что отрицательно сказывается на численности популяций.

Сергей Коленов