Гребневики и история эволюции в океанах

Гребневики (ctenophores) — загадочные дрейфующие обитатели океана, встречающиеся от мелководий до самых глубоких его частей. Эти красочные, прозрачные и хрупкие хищники скользят в толще воды, ловя других животных с помощью своих длинных липких щупалец.

Морской биолог Стивен Хэддок из Исследовательского института аквариума Монтерей-Бей (MBARI) и его коллеги реализуют амбициозный проект DEEPC (Diversity, Ecology, and EcoPhysiology of Ctenophores), чтобы собрать, сравнить и понять эволюционную историю этих животных. Проект поддерживается грантом программы Dimensions of Biodiversity Program Национального научного фонда (NSF).

Особый интерес для исследователей представляет способность гребневиков выживать в широком диапазоне условий. Одна из главных задач команды — найти генетические изменения, позволившие группам мелководных гребневиков эволюционировать и адаптироваться к сокрушительному давлению глубин, а глубоководным — к условиям поверхности.

Эволюция ферментов

Гребневики — полезный, но сложный объект для изучения генетических изменений и эволюции. Они широко распространены, но их трудно поймать живыми. Важно, что у гребневиков как группы долгая и сложная эволюционная история.

За многие поколения одни группы гребневиков эволюционировали из мелководных животных в глубоководных, а другие, возможно, проделали обратный путь — из глубин на мелководье. Это даёт учёным уникальную возможность. Поскольку у неродственных групп гребневиков развились сходные адаптации к среде (процесс «конвергентной эволюции»), исследователи могут выявить конкретные генетические изменения, обеспечивающие успех каждой группы.

Например, все организмы должны метаболизировать пищу в энергию. Этот процесс задействует набор классических ферментов, которые, как отмечает Хэддок, встречаются в слегка модифицированных формах у многих существ. Эти ферменты есть и у глубоководных, и у мелководных гребневиков, но на глубине 2000 метров под огромным давлением они функционируют иначе, чем у поверхности.

Это означает, что у многих разных видов глубоководных гребневиков эти ферменты, вероятно, развили сходные черты, позволяющие им работать в глубине. Исследователи, ищущие эти сходства, смогут сравнить ферменты у разных гребневиков, чтобы определить, как мог происходить этот эволюционный процесс и какие изменения необходимы для жизни на глубине.

Расшифровка кода гребневиков

Вместе с Хэддоком главными исследователями проекта DEEPC являются Эрик Тьюсен из Колледжа Эвергрин и Джозеф Райан из Уитни Лаборатории морской бионауки. В MBARI в команду также входят аспиранты лаборатории Хэддока Джейкоб Уинникопф и Даррин Шульц.

Исследователи имеют разный опыт и используют разные подходы: одни изучают генетический материал гребневиков, другие — физические продукты их генов, такие как белки и ферменты.

Поскольку гребневиков трудно найти и поймать, каждая особь ценна. Чаще всего, по словам Хэддока, животное замораживают и берут образцы тканей для сохранения генетического материала для последующего анализа.

Но для экспериментов с белками и ферментами нужно несколько животных, чтобы получить достаточно ткани. «Мы можем увидеть лишь одну такую особь, — говорит Хэддок, — и не можем просто взять и размолоть её». Чтобы решить эту проблему, Джейкоб Уинникопф извлекает ДНК гребневика и вставляет её в бактерии, которые затем производят большое количество нужных ферментов. Исследователи могут экспериментировать с этими ферментами, изучая их работу под высоким давлением, не уничтожая редкие образцы.

Имея генетические коды и запас ферментов, исследователи надеются точно определить, какие изменения в ДНК необходимы для создания ферментов, способных функционировать при высоком давлении. В конечном итоге они, возможно, смогут вносить изменения в бактериальную ДНК, чтобы проверить, как различные виды гребневиков могли эволюционировать во время своего долгого пути в глубину или из неё.

DEEPC в MBARI

Проект DEEPC пересекается со многими другими исследовательскими интересами Хэддока. Работа команды внесёт вклад в его всемирный обзор гребневиков, который в конечном итоге опишет все известные виды и их родственные связи.

Это исследование также может внести вклад в продолжающиеся дебаты о месте гребневиков на древе жизни. Среди биологов нет согласия, какая группа — губки или гребневики — первой ответвилась от других представителей царства животных. Хотя Хэддок не планирует публиковать статью, напрямую посвящённую этому спору, работа его команды, вероятно, прольёт дополнительный свет на историю эволюции животных.

Ещё одна причина, по которой Хэддок изучает гребневиков, — их биолюминесценция, то есть способность производить и излучать свет. Хотя более 90% гребневиков в заливе Монтерей светятся сами, механизмы и эволюционные преимущества этой биолюминесценции плохо изучены. Хэддок давно очарован светящимися обитателями океанов и считается мировым экспертом в этой области.

По мере развития проекта DEEPC команда надеется ответить на давние вопросы об эволюции в океанах и способности гребневиков жить в самых разных условиях. С точки зрения Хэддока, проект также прольёт столь необходимый свет на группу животных, долгое время остававшуюся в безвестности.

«У большинства людей нет действительно хорошего интуитивного понимания гребневиков, — отметил Хэддок. — Даже в учебниках их рисуют вверх ногами, потому что считают, что они должны быть похожи на медуз; их переворачивают и рисуют ртом вниз, предполагая, что они должны так плавать».

Благодаря работе команды DEEPC мы скоро узнаем гораздо больше об этих хрупких, дрейфующих, светящихся хищниках, их замечательной адаптации к широкому диапазону мест обитания и, возможно, об эволюционных процессах, которые помогли им выжить.