Эволюция в реальном времени: учёные предсказали и наблюдали эволюцию в 30-летнем эксперименте с морскими улитками
Улитки на крошечном скалистом островке эволюционировали на глазах учёных. Морских улиток повторно заселили после того, как токсичное цветение водорослей уничтожило их популяцию на скалистом островке (скерри). Исследователи намеренно завезли другую популяцию того же вида улиток, но она эволюционировала, поразительно напоминая утраченную более 30 лет назад популяцию.
Исследование, проведённое учёными из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и Норвежского университета Нурда, опубликовано в Science Advances.
В 1988 году архипелаг Костер у западного побережья Швеции поразило особенно плотное токсичное цветение водорослей, уничтожившее популяции морских улиток. До этого острова и их небольшие приливные скерри были домом для плотных и разнообразных популяций морских улиток вида Littorina saxatilis. Хотя популяции улиток на крупных островах восстановились за 2–4 года, несколько скерри, казалось, не могли оправиться от этого удара.
Морской эколог Керстин Йоханнессон из Гётеборгского университета (Швеция) увидела уникальную возможность. В 1992 году она повторно заселила улиток L. saxatilis на их утраченную среду обитания на скерри, начав эксперимент, который будет иметь далеко идущие последствия более чем через 30 лет.
Волновые и крабовые улитки
L. saxatilis — обычный вид морских улиток, обитающих на побережьях Северной Атлантики, где разные популяции эволюционировали, адаптируя черты к своей среде. Эти черты включают размер, форму и цвет раковины, а также поведение.
Различия особенно поразительны между так называемыми крабовым и волновым экотипами. Эти улитки неоднократно эволюционировали в разных местах: либо в среде, где на них охотятся крабы, либо на скалах, подверженных действию волн, вдали от крабов.
Волновые улитки обычно маленькие, с тонкой раковиной определённых цветов и узоров, большим округлым отверстием и смелым поведением. Крабовые улитки, напротив, заметно крупнее, имеют более толстые раковины без узоров, меньшее и более вытянутое отверстие. Они также ведут себя более осторожно в среде, где доминируют хищники.
Шведский архипелаг Костер является домом для этих двух типов улиток L. saxatilis, часто соседствующих на одном острове или разделённых всего несколькими сотнями метров моря. До токсичного цветения водорослей 1988 года волновые улитки населяли скерри, в то время как на близлежащих берегах обитали как крабовые, так и волновые улитки. Эта близость оказалась решающей.
Повторное обретение старых черт
Увидев, что популяция волновых улиток на скерри была полностью уничтожена токсичными водорослями, Йоханнессон в 1992 году решила повторно заселить один из этих скерри улитками крабового экотипа. Имея одно-два поколения в год, она справедливо ожидала, что крабовые улитки адаптируются к новой среде на глазах учёных.
«Наши коллеги увидели свидетельства адаптации улиток уже в первое десятилетие эксперимента. За 30 лет эксперимента мы смогли надёжно предсказать, как будут выглядеть улитки и какие генетические регионы будут задействованы. Преобразование было как быстрым, так и драматичным», — говорит Диего Гарсия Кастильо, аспирант группы Бартона в ISTA.
Однако улитки не развили эти черты полностью с нуля. Соавтор исследования Анджа Мари Вестрам объясняет: «Часть генетического разнообразия уже была доступна в исходной крабовой популяции, но с низкой распространённостью. Это потому, что вид переживал подобные условия в недавнем прошлом. Доступ улиток к большому генофонду обусловил эту быструю эволюцию».
Разнообразие — ключ к адаптации
Команда изучала три аспекта на протяжении лет эксперимента: фенотип улиток, изменчивость отдельных генов и более масштабные генетические изменения, затрагивающие целые регионы хромосом, называемые «хромосомными инверсиями».
В первых нескольких поколениях исследователи наблюдали интересное явление, называемое «фенотипической пластичностью». Вскоре после переселения улитки изменили свою форму, чтобы приспособиться к новой среде. Но популяция также быстро начала меняться генетически. Исследователи смогли предсказать степень и направление генетических изменений, особенно для хромосомных инверсий.
Они показали, что быстрое и драматическое преобразование улиток, возможно, было обусловлено двумя взаимодополняющими процессами:
- Быстрый отбор признаков, уже присутствовавших с низкой частотой в пересаженной популяции крабовых улиток.
- Поток генов от соседних волновых улиток, которые могли просто переплыть 160 метров, чтобы достичь скерри.
Эволюция перед лицом загрязнения и изменения климата
В теории учёные знают, что вид с достаточно высоким генетическим разнообразием может адаптироваться к изменениям быстрее. Однако немногие исследования ставили целью экспериментировать с эволюцией во времени в дикой природе.
«Эта работа позволяет нам ближе взглянуть на повторяющуюся эволюцию и предсказать, как популяция может развить черты, которые в прошлом эволюционировали отдельно в сходных условиях», — говорит Гарсия Кастильо.
Теперь команда хочет понять, как виды могут адаптироваться к современным экологическим проблемам, таким как загрязнение и изменение климата.
«Не все виды имеют доступ к большим генофондам, а эволюция новых черт с нуля мучительно медленна. Адаптация очень сложна, и наша планета также сталкивается со сложными изменениями: эпизодами экстремальных погодных условий, быстро прогрессирующим изменением климата, загрязнением и новыми паразитами», — говорит Вестрам.
Она надеется, что эта работа стимулирует дальнейшие исследования по поддержанию видов с большим и разнообразным генетическим составом.
«Возможно, это исследование поможет убедить людей защищать ряд естественных сред обитания, чтобы виды не теряли своё генетическое разнообразие», — заключает Вестрам.
Сейчас улитки, которых Йоханнессон завезла на скерри в 1992 году, достигли процветающей популяции численностью около 1000 особей.