Древнее наследие ледниковых периодов определяет реакцию морских трав на современные угрозы
Глубокие эволюционные процессы оказывают более долгосрочное влияние, чем считалось ранее, как сообщают учёные в новой статье, опубликованной на неделе 1 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследователи из Смитсоновского института и их коллеги изучили сообщества взморника — основы многих прибрежных морских пищевых сетей вдоль побережий северной Атлантики и Тихого океана — и обнаружили, что их древняя генетическая история может играть более сильную роль, чем современная среда, в определении их размера, структуры и состава обитателей. Это может иметь значение для способности взморника адаптироваться к таким угрозам, как изменение климата.
Около полумиллиона лет назад, когда мир был теплее, некоторые растения взморника совершили трудное путешествие из своей родной среды в Тихом океане в Атлантический. Не все растения были достаточно выносливыми, чтобы преодолеть путь через Арктику. Для тех, кому это удалось, серия ледниковых периодов в эпоху плейстоцена дополнительно повлияла на то, как далеко они могли распространиться. Эти тысячелетние трудности оставили неизгладимые следы в их ДНК: даже сегодня популяции взморника в Атлантике гораздо менее генетически разнообразны, чем в Тихом океане.
Учёные были поражены, обнаружив, что в классических дебатах о "природе против воспитания" генетическое наследие иногда больше влияет на формирование современных сообществ взморника, чем текущая окружающая среда.
"Мы уже знали, что существует большое генетическое разделение между океанами, но я не думаю, что кто-либо из нас когда-либо предполагал, что это будет важнее условий окружающей среды", — сказал Эммет Даффи, морской биолог из Смитсоновского центра экологических исследований и ведущий автор отчета. "Это стало большим сюрпризом для всех".
Взморник в горячей воде
Взморник (Zostera marina) — одно из самых распространённых мелководных растений в мире. Его ареал простирается от полутропических регионов, таких как Нижняя Калифорния, до Аляски и Арктики. Помимо обеспечения пищей и средой обитания для многих подводных животных, взморник предоставляет множество услуг людям: защищает побережья от штормов, поглощает углерод и даже может снижать количество вредных бактерий в воде.
Однако в большинстве мест его произрастания взморник является доминирующим — или единственным — видом морской травы. Это делает его выживание критически важным для людей и животных, которые там живут. А более низкое генетическое разнообразие в Атлантике может затруднить адаптацию некоторых популяций к внезапным изменениям.
"Разнообразие — это как иметь разные инструменты в своём поясе для инструментов", — сказал соавтор Джей Стахович, эколог из Калифорнийского университета в Дэвисе. "И если у вас есть только молоток, вы можете забивать гвозди, но это всё. Но если у вас есть полный набор инструментов, каждый инструмент можно использовать для более эффективного выполнения разных задач".
Экологи уже наблюдают исчезновение взморника в некоторых регионах по мере потепления вод. В Португалии, самом южном пункте его распространения в Европе, взморник начал отступать и перемещаться дальше на север, в более прохладные воды.
"Я не думаю, что мы потеряем [взморник] в смысле полного вымирания", — сказала соавтор Жанин Олсен, заслуженный профессор Университета Гронингена в Нидерландах. "Он обладает множеством уловок". Но локальные вымирания, по её словам, будут происходить в некоторых местах. Это может создать проблемы для регионов, зависящих от своего местного взморника.
Достижение более ZEN-мировоззрения
Осознавая настоятельную необходимость понять и сохранить взморник во всём мире, Даффи и его коллеги объединились, создав глобальную сеть под названием ZEN (Zostera Experimental Network). Идея заключалась в том, чтобы объединить учёных, занимающихся морскими травами по всему миру, для проведения одинаковых экспериментов и обследований, чтобы получить согласованную глобальную картину состояния морских трав.
Для нового исследования команда изучила сообщества взморника на 50 участках в Атлантическом и Тихом океанах. С 20 пробными площадками на каждом участке команда получила данные с 1000 площадок взморника.
Они собрали базовые данные: размер, форма, общая биомасса и различные животные и водоросли, живущие на них и вокруг них. Затем они собрали генетические данные по всем популяциям взморника. Они также измерили несколько переменных окружающей среды на каждом участке: температуру, солёность воды и доступность питательных веществ.
В конечном итоге они надеялись выяснить, что больше формирует сообщества взморника: среда или генетика?
После запуска серии моделей они обнаружили множество различий между экосистемами взморника в Атлантике и Тихом океане — различий, которые тесно коррелировали с генетическим расхождением, вызванным миграцией в плейстоцене и последующими ледниковыми периодами.
В то время как тихоокеанский взморник часто рос в "лесах", регулярно превышающих 3 фута (около 90 см) в высоту и иногда достигающих более чем вдвое большей высоты, в Атлантике преобладали более низкорослые "луга", редко приближавшиеся к такой высоте. Генетические различия также коррелировали с общей биомассой взморника. В Атлантике эволюционная генетика и современная среда играли одинаково сильную роль в биомассе взморника. В Тихом океане генетика имела преимущество.
Это влияние распространялось и на другие части экосистемы. Когда дело касалось мелких животных, живущих во взморнике, таких как беспозвоночные, генетический след из плейстоцена снова играл более сильную роль, чем окружающая среда, в Тихом океане — в то время как в Атлантике оба фактора играли одинаково сильную роль.
"Древнее наследие этой миграции плейстоцена и "бутылочного горлышка" взморника в Атлантику имело последствия для структуры экосистемы 10 000 лет спустя", — сказал Даффи. "Вероятно, даже больше 10 000".
Сохранение будущего
Тот факт, что древняя генетика может играть такую сильную роль — иногда сильнее, чем окружающая среда — вызывает у некоторых экологов обеспокоенность по поводу того, сможет ли взморник адаптироваться к более быстрым изменениям.
"Само по себе потепление климата, вероятно, не является основной угрозой для взморника", — сказала Олсен. Загрязнение из городов и ферм, которое может сделать воду мутной и привести к вредоносному цветению водорослей, также угрожает морским травам. Тем не менее, огромный спектр сред, в которых может выжить взморник, свидетельствует о его выносливости.
"Я полон надежды, потому что наши результаты иллюстрируют долгосрочную устойчивость к повторяющимся серьёзным изменениям термостойкости и широкому диапазону мест обитания взморника примерно на половине Северного полушария", — сказала Олсен. "С помощью геномных ресурсов, теперь доступных для взморника, мы начинаем анализировать функциональные изменения в генах и их регуляцию в реальном времени. Это очень интересно".
Для защиты существующих зарослей взморника поддержание текущего разнообразия является хорошим первым шагом. В местах, где заросли взморника уже утрачены, восстановление предлагает некоторые перспективы. Уже существуют истории успеха, например, на восточном побережье Вирджинии. Но многие усилия по восстановлению достигают лишь ограниченного успеха. Как отметил Стахович, это поднимает дополнительные вопросы.
"Следует ли восстанавливать морскую траву, используя растения из местной среды, или следует думать о будущем и пробовать растения с генетикой, лучше подходящей для будущих условий окружающей среды?" — спросил он. "Или следует подстраховаться?" Поддержание или увеличение генетического разнообразия может быть лучшим способом обеспечить популяции морской травы разнообразным набором инструментов, необходимых для выживания в неопределённом будущем.