Генетическая изменчивость помогает мидиям адаптироваться к изменению климата

Существующая генетическая изменчивость в природных популяциях средиземноморских мидий позволяет им адаптироваться к снижению уровня pH в морской воде, вызванному выбросами углерода. Новое исследование биологов из Чикагского университета показывает, что мидии, выращенные в экспериментальной среде с низким pH, формировали раковины меньшего размера по сравнению с выращенными при нормальном pH, но общая выживаемость мидий в обеих условиях была одинаковой.

Выжившая популяция в среде с низким pH генетически отличалась от других, что позволяет предположить: уже существующие в части природной популяции генетические варианты позволили им адаптироваться к более суровым новым условиям. Это может быть хорошей новостью как для защитников природы, так и для любителей морепродуктов, поскольку этот кулинарный деликатес находит способы приспособиться к меняющейся морской среде.

«Надежда в том, что в виде уже есть несколько особей с генетическими особенностями, позволяющими им выдерживать изменения в окружающей среде», — сказал Марк Биттер, аспирант Чикагского университета, руководивший исследованием, опубликованным 20 декабря 2019 года в Nature Communications. — «Это позволяет эволюции работать намного быстрее, поскольку ей не нужно ждать возникновения новой мутации».

По мере того как человечество продолжает сжигать все больше ископаемого топлива, океаны поглощают примерно треть дополнительного углерода, попадающего в атмосферу. Это, в свою очередь, приводит к снижению уровня pH морской воды, повышая её кислотность. Мидиям, устрицам и некоторым видам водорослей в таких условиях сложно формировать свои твёрдые раковины из карбоната кальция. В исследовании 2016 года Кэти Пфистер, доктор философии, старший автор нового исследования и содиректор Центра микробиома Чикагского университета, показала, что современные раковины мидий, собранные на тихоокеанском северо-западе, в среднем на 32% тоньше, чем раковины 1970-х годов.

Биттер и его коллеги работали в Laboratoire d'Oceanographie в Вильфранш-сюр-Мер на средиземноморском побережье Франции. Проект был поддержан программой France and Chicago Collaborating in the Sciences (FACCTS), призванной стимулировать сотрудничество между учёными Чикагского университета и исследовательскими группами во французских вузах.

В ходе трёх исследовательских поездок во Францию в 2016 и 2017 годах исследователи собрали образцы Mytilus galloprovincialis, средиземноморской мидии — одного из нескольких видов мидий, имеющих важное пищевое значение во всём мире. Они тщательно скрестили десятки комбинаций от 12 самок и 16 самцов, чтобы обеспечить генетически разнообразную популяцию личинок — всего 192 разные комбинации.

Эту исходную популяцию разделили на две группы: одна развивалась в воде с нормальным, фоновым уровнем pH 8.1, а другая — в морской воде с pH 7.4. Это значение ниже того, с которым эти мидии сталкиваются в дикой природе в настоящее время. Глобальный средний pH океанов составляет около 8.0; средиземноморские мидии могут встречаться со значениями до 7.7 в некоторых местах. Более низкий pH 7.4, использованный в эксперименте, выходит за рамки прогнозируемого глобального среднего снижения pH морской воды в следующие 100 лет, но может встретиться морским видам, обитающим в прибрежных районах, до конца века.

Личинки мидий, всего более 1 миллиона особей, содержались в серии вёдер, куда из головных резервуаров подавалась морская вода с регулируемым уровнем CO₂ для точного контроля уровня pH. Вёдра были оснащены моторизованными лопастями для естественной циркуляции воды. По мере роста и формирования раковин личинки в конечном итоге прикреплялись к вертикальным стенкам вёдер.

В течение примерно шести недель Биттер и его коллеги брали пробы каждые несколько дней для измерения размера раковин и анализа генетического состава выживших личинок. В целом, мидии в условиях фонового pH росли быстрее, чем в воде с низким pH, хотя через две недели популяция с низким pH в основном догнала. Биттер предполагает, что это может быть связано с гибелью наиболее уязвимых к низкому pH особей до этого момента, после чего выжившие смогли продолжить нормальный рост.

Когда исследователи проанализировали генетическую изменчивость в двух тестовых группах, они увидели явные признаки отбора в условиях низкого pH, что означает формирование уникального генетического фона среди мидий, способных выдерживать такую среду. После шестого дня они отделили самых быстрорастущих от самых медленнорастущих в каждой среде по pH. Размер раковины является индикатором приспособленности — мидии с самыми крупными раковинами, вероятно, были сильнейшими конкурентами. Но означает ли то, что одна мидия быстрее всех растёт в текущих условиях океана, что она также будет успешна в более экстремальном сценарии с низким pH?

«Ответ — нет, — сказал Биттер. — Похоже, существует совершенно уникальный генетический состав особей, которые в итоге лучше всего растут в среде с низким pH, по сравнению с фоновыми условиями».

В конце эксперимента не было разницы в общей выживаемости мидий, выращенных в любой из сред. Это может показаться редкой хорошей новостью в контексте быстро прогрессирующего изменения климата: вид, который уже обладает способностью адаптироваться к более суровым условиям. Однако Биттер отмечает, что pH — лишь одна из переменных, которая, как ожидается, изменится в ближайшем будущем.

«Некоторые из этих особей действительно хорошо справляются с таким сильным снижением pH. Но что, если вы также снизите солёность или существенно измените температуру? — говорит он. — То, что вы можете пробежать марафон, не означает, что сразу после этого вы сможете проплыть стометровку. Это сценарий множественных стрессоров».

По его словам, это исследование показывает, почему важно сосредоточить усилия по сохранению и аквакультуре на поддержании широкого генетического разнообразия среди популяций мидий, поскольку способность адаптироваться к условиям ближайшего будущего, по-видимому, уже существует в генофонде.

«Мы уже наблюдали значительное уменьшение размера раковин у одного вида мидий в природе, но похоже, что у этого вида есть потенциал для адаптации, — сказал он, — и это хорошая новость на фоне множества мрачных прогнозов».