«Откуда есть пошли» ветвистоусые рачки Северной Евразии, как «молекулярные часы» помогают составлять родословные видов, как рачки путешествуют «во младенчестве», что такое биогеография, зачем ученым ехать с образцами на Белое море и как рачки смогли пережить оледенение на севере.

Ветвистоусые рачки (кладоцеры) — пища сотен важнейших видов рыб. И по крайней мере некоторые из них имеют «гиперборейское» происхождение, как показала группа ученых — сотрудников Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН, Беломорской биостанции биологического факультета МГУ, Института биологии внутренних вод имени И.Д. Папанина РАН, а также биологического факультета Университета штата Нью-Йорк. Они показали, что как минимум несколько таксонов кладоцер начало свое расселение по всей Палеарктике именно с севера, при этом часть из них распространилась из берингийской области (поскольку в прошлом Берингов пролив неоднократно закрывался, современная Камчатка, Чукотка, Аляска и часть Алеутских островов входили в состав так называемой Берингии — обширной территории суши, имевшей значительно большую площадь, чем в наши дни).

Техническая часть работы (прочтение фрагментов геномов ветвистоусых рачков) была выполнена на Беломорской биологической станции МГУ. «В нашу лабораторию на ББС привозят материал отовсюду. Это может показаться смешным — зачем везти образцы на Белое море, к Полярному кругу, — но лаборатория настолько хорошо оборудована и там настолько удобно работать, что коллеги приезжают и работают и с нашими беломорскими коллекциями, и с образцами со всего света, в том числе собранными в Антарктиде ледоколом «Поларштерн» образцами планктона. Чаще всего мы секвенируем образцы, чтобы просто понять, какие именно виды водятся в этих высоких широтах, а в данном исследовании мы изучали биогеографию. На Беломорской биостанции были проведены постановка ПЦР и секвенирование, хотя образцы были получены из других мест», — рассказала кандидат биологических наук и научный сотрудник биостанции Татьяна Неретина, соавтор исследования, опубликованного в PLOS ONE.

Карта Северной Евразии с обозначенными разными значками местами находок особей шести клад (генетических групп) внутри группы видов Chydorus sphaericus. Три основные группы клад (A1, A2, A3) помечены соответственно красным, зеленым и черным цветом. Группы A1 и A2 включают по нескольку клад, значки для обозначения последних имеют разную форму. Овалы разного цвета обозначают территории, на которых найдены популяции, принадлежащие той или иной большой кладе, содержащие «центральные» (предположительно, предковые) гаплотипы этой клады (красный — клада A1_1, зеленый на севере Европейской части РФ — клада A2_1, зеленый на Камчатке — клада A2_3, серый — клада A3). Стрелки — направления расселения той или иной клады, реконструированные на базе медианной сети гаплотипов, не представленной здесь. Фиолетовый овал — зона в бассейне Енисея, где три разные клады встречаются одновременно (иногда даже в одном водоеме!). Однако эта зона повышенного разнообразия является не центром расселения, а местом вторичного контакта разных клад.
Алексей Котов

Яйца-путешественники

Пресноводные беспозвоночные, в том числе и мелкие ракообразные, — краеугольный камень многих экосистем, и линии их эволюции тесно переплетаются с судьбами множества других видов, создавая основу канвы развития биоразнообразия Северного полушария. Яйца многих кладоцер могут зимовать в сброшенной при линьке затвердевшей раковинке, называемой эфиппиумом. Эти эфиппиумы могут путешествовать из одного водоема в другой, прикрепляясь к перьям и лапкам водоплавающих птиц и даже жукам-плавунцам. Так пресноводные кладоцеры могут распространяться по новым местообитаниям, занимая там важные экологические ниши и встраиваясь в пищевые сети.

Изучением путей расселения живых существ занимается наука биогеография. «Если биогеография сухопутных организмов — весьма развитое направление наук о жизни с давней историей (вспомним Альфреда Уоллеса, Чарльза Дарвина и многих других классиков) и мощными, представительными результатами, то биогеография пресноводных животных весьма далека от совершенства, — рассказывает доктор биологических наук Алексей Котов, член-корреспондент РАН, сотрудник Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН и соавтор исследования. — При этом картины (паттерны) распространения пресноводных животных иногда сильно отличаются от таковых модельных объектов, на которых создавалась современная "наземная" биогеография. Это объясняется как гораздо большим геологическим возрастом пресноводных животных по сравнению с таковым модельных наземных организмов (таких как покрытосеменные растения, многие группы млекопитающих, птицы, бабочки), так и различиями в биологии между наземными и пресноводными животными. Пересмотр представлений о современных паттернах распространения животных континентальных водоемов и об истории их формирования актуален как для фундаментальных гидробиологических исследований различной направленности (например, экологических), так и для практических нужд (например, рационального использования и охраны водоемов)».

Откуда пришли «рогатые» рачки?

Поскольку охватить все группы организмов в одной работе попросту невозможно, ученые решают эту проблему, выбирая определенные, особенно характерные виды или другие группы в качестве модельных. В изучении экологии пресноводных водоемов излюбленным модельным объектом стали ветвистоусые рачки. Анализ их расселения проводит наука филогеография, которая, по словам одного из ее основателей Джона Ависа, изучает «принципы и процессы, определяющие географическое распределение генеалогических линий». «Проще говоря, задача подобных работ — закартировать распределение на некой территории отдельных генетических групп организмов и на основании генетических данных сделать выводы об истории формирования этого паттерна, о центре расселения той или иной группы, о путях расселения и о времени того или иного события в истории группы», — поясняет Алексей Котов.

Предыдущие работы изучали почти исключительно представителей рода дафний. Очагом расселения нескольких групп видов по Восточной Евразии, согласно этим данным, была Япония. Сейчас гидробиологи занялись генетическим анализом и других групп кладоцер, чтобы уточнить эти данные. Масштабная работа в этом направлении была проведена российскими учеными на представителях группы Chydorus sphaericus — рядовых и крайне обычных обитателях северных регионов. Для этого были собраны образцы хидорусов из многих водоемов России, в том числе Кроноцкого и Командорского заповедников, а также образцы из Норвегии и Южной Кореи.

Чтобы узнать, откуда пошло расселение какой-либо группы, ученые сравнивают черты потомков и выделяют то, что их объединяет, а потом ищут таксоны, у которых предковых черт больше — они-то обычно и оказываются ближе всего к первоначальной группе. Раньше такие сравнения проводились по морфологическим признакам. Однако современные ученые понимают, что этого недостаточно. «Изучение только внешних признаков нам мало что скажет о том, кто от кого произошел, как они расселялись, — поясняет Татьяна Неретина. — Нужны генетические методы: мы берем последовательности ДНК, какие-то определенные фрагменты, так называемые генетические маркеры, и сравниваем их. Поэтому для любого зоолога (да и ботаника) в наше время необходимо знание молекулярных генетических методов».

Пути кладоцер и пути зоологов

Поскольку сама Татьяна Неретина не зоолог, а молекулярный биолог, то, попав на ББС, она поняла, что там при высоком уровне классической зоологии явно не хватает молекулярных методов. Поэтому в 2006 году по инициативе Татьяны Неретиной и сторонника молекулярных методов в зоологии беспозвоночных и ихтиологии, доктора биологических наук Николая Мюге была создана молекулярно-генетическая лаборатория на Беломорской биологической станции. А в 2009 году на биостанции была проведена первая международная школа по молекулярным методам в зоологии, участницей которой стала Евгения Беккер, на тот момент — аспирантка Алексея Котова, а теперь — еще один соавтор статьи о расселении кладоцер в PLOS ONE.

Понять, как давно разошлись разные линии и группы живых организмов, помогает сравнение участков генома, для которых известна примерная скорость накопления мутаций, зависящая от консервативности участка. Чем важнее функция гена, тем неохотнее он хочет меняться. Так, самые консервативные участки нашего генома «ушли недалеко» от подобных им участков у простейших, в то время как другие могут без серьезных последствий варьироваться даже внутри одного вида. Оценивая эту скорость в ходе эволюции, генетики применяют «молекулярные часы» для оценки родства и давности расхождения различных групп живых организмов.

Суть исследования, по словам Татьяны Неретиной, такова: «Вы собираете материал из разных-разных мест, фиксируете его в спирте, выделяете ДНК из каждого отдельного образца, потом с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) определяете последовательности нуклеотидов во фрагменте генома, который вам нужен, и смотрите, как они отличаются между собой. И строите филогенетические деревья, по которым можно определить близость разных групп и понять, кто на кого похож, кто на кого не похож».

В случае с хидорусами для этого был выбран участок митохондриального гена (содержащегося в митохондрии — органоиде клетки, помогающем вырабатывать энергию), кодирующего важный для производства энергии в клетке фермент цитохром-с, а также участок ядерной ДНК, где закодированы две части рибосомальной РНК, необходимой для сборки белков в клетке, и вставка между ними.

Рачки «перезимовали» оледенение на севере

Сравнение этих последовательностей помогло гидробиологам определить генетически родственные группы, клады, и проследить их победоносное шествие по Северной Евразии. Для этого ученые построили «медианные сети гаплотипов» (гаплотип — совокупность особей, которые по некоему гену абсолютно идентичны), чтобы увидеть места, где живут ныне родственные группы хидорусов, и понять, откуда они там взялись, где был исходный центр расселения. Очаги расселения двух из них, как оказалось, располагались в европейской части континента, а двух других — в азиатской (включая Якутию, Камчатку, Чукотку). Удивительным стало и то, что одна клада пережила суровые условия плейстоценового оледенения в северном рефугиуме («убежище») на территории современной Архангельской области и республики Коми, а не на юге, как это сделала другая (что неоднократно было показано для многих животных в предыдущих работах).

«Понятие рефугиума подразумевает, что там не было льда, а был он южным или северным, не столь важно, — поясняет Татьяна Неретина. — Главное, что он был свободен ото льда, и оттуда шло расселение. Никаких специальных приспособлений для того, чтобы пережить оледенение в рефугиуме, не нужно. Наоборот, работа показывает, что в данном месте были условия, чтобы расселиться. У нас были идеи изучения у рачков специальных белков-шаперонов, позволяющих пережить температурные скачки, но в рамках данного исследования мы этого не делали».

Еще одна группа хидорусов из континентальной берингийской области заселяла Остров Беринга (который в прошлом с ней не соединялся), но не сразу, а в три этапа: как выяснили ученые, разные гаплотипы появлялись на острове три раза независимо друг от друга.

«Другим важным заключением нашего коллектива является предварительное выявление зоны вторичного контакта между европейско-западносибирским и берингийским надкомплексами в бассейне Енисея. Чуть ранее нами такая же картина уже была найдена у разных групп видов в пределах другого рода ветвистоусых рачков — Moina. Статья, освещающая эти результаты, была опубликована нами в том же журнале PLOS ONE полгода назад. Наконец, Восточная Сибирь и Северная Атлантика (Гренландия и Исландия) являются районами, где сохранились реликтовые эндемичные клады», — комментирует Алексей Котов. По его словам, «данные работы стали возможны исключительно благодаря поддержке Российского научного фонда, позволившей нам создать новую молекулярно-генетическую лабораторию, в работу которой ныне вовлечено несколько молодых специалистов».

В будущем ученые планируют заняться проверкой универсальности созданной схемы, чтобы увидеть, отражает ли она и картину расселения других родов ветвистоусых рачков.

https://indicator.ru/article/2017/01/30/vetvistousye-rachki-iz-hyperborei/