Слепые пещерные существа проливают свет на эволюцию и генетику человека
Подземные водные пещеры — дом для существ, живущих в вечной темноте. За многие поколения эти животные адаптировались к своим изолированным условиям. Учёные считают, что их бледная кожа и слепые глаза могут хранить секреты эволюции, а также ключи к генетическим адаптациям, связанным с долголетием, выживанием при голоде и болезнями глаз у людей.
"Эти пещеры — изолированные миры", — говорит профессор Петер Тронтель, зоолог из Люблянского университета (Словения). Пещеры, где не растут растения, являются естественными лабораториями эволюционной биологии.
Параллельная эволюция протеев
Проект GENEVOLCAV под руководством Тронтеля изучает европейского протея (olm) — редкую пещерную саламандру. Давно их предки жили на поверхности, но в пещерах претерпели dramatic изменения. Исторически считалось, что эволюция могла бы пойти разными путями. Однако пещеры показывают, что адаптации к среде без света и с бедными ресурсами "обычно вполне предсказуемы". "Мы теперь знаем, что каждый раз всё пойдёт тем же путём", — отмечает Тронтель.
Исследование GENEVOLCAV изменило понимание этих саламандр. Вместо одного вида, как считалось ранее, обнаружено девять потенциально разных видов протеев в Центральной и Юго-Восточной Европе. Все они независимо эволюционировали в вечной темноте, приобретя сходные черты: обесцвеченную кожу, слепые глаза и удлинённые морды. "Всё произошло независимо, но более или менее параллельным образом", — говорит Тронтель.
Изучение ДНК и значение для медицины
Цель проекта — собрать геном протея, который примерно в 16 раз больше человеческого, и выявить генетические изменения, лежащие в основе адаптаций. "Изменения (физические) одинаковы или очень похожи, но вопрос в том: 'Вызваны ли они одними и теми же генами, одними и теми же мутациями?'" — задаётся вопросом Тронтель.
Для ответа учёные спускаются в пещеры, иногда на глубину до 400 метров, чтобы измерить протеев и взять мазки с кожи для сбора ДНК. Потребуются сотни образцов.
С точки зрения медицины интересны несколько черт протеев:
- Они могут жить более ста лет — в 10 раз дольше своих наземных предков.
- Способны годами выживать без пищи.
- В темноте теряют цвет и зрение.
Известно, что потеря пигмента и дегенерация глаз у пещерных рыб могут быть вызваны несколькими разными генами, некоторые из которых связаны. Эти же гены связаны с "некоторыми патологическими состояниями при дегенерации глаз человека и альбинизме". "Понимание этих механизмов, происходящих предсказуемым образом, может также помочь нам понять некоторые дегенеративные заболевания у людей", — говорит Тронтель.
Протеи, способные выживать только в этих нишевых местообитаниях, уязвимы. Пещерные воды находятся под угрозой загрязнения. Описание новых видов важно для их сохранения. То же справедливо и для червей, ракообразных и рыб, населяющих подземные полости.
База данных подземной фауны
Проект ANCAVE под руководством Алехандро Мартинеса работает над созданием базы данных таких существ. База "Stygofauna Mundi", названная в честь книги натуралиста Лазаря Ботошанеану, уже содержит более 330 000 записей, собранных из научной литературы на всех языках. "Мы работаем над тем, чтобы сделать всю эту информацию общедоступной", — говорит Мартинес.
Около 10% записей — животные, обитающие в прибрежных водоносных горизонтах (анхиалиновые среды). Их вода солёная, поступает из океана через подземные трещины, и смешивается с пресной водой сверху. Эти среды встречаются по всему миру, включая Канарские острова.
Животные там уникальны: "Многие из этих животных встречаются исключительно в этом типе местообитаний". Они выглядят "странно" и "примитивно", напоминая формы, известные по ископаемым останкам. Другие имеют общих предков с океанскими животными, но изоляция в пещерах исключает скрещивание, что позволяет учёным сравнивать пещерных обитателей с их родственниками на поверхности.
"(Некоторые) похожи на других животных, найденных в настоящее время в глубоком океане", — говорит Мартинес. "Они генетически близки друг к другу, но морфологически (физически) очень разные… Сравнивая такие виды по всему миру, мы можем попытаться лучше понять, как животные меняют форму, чтобы приспособиться к новой среде".
В рамках проекта ANCAVE были взяты пробы примерно в 50 пещерах в Средиземноморье, Карибском бассейне и нескольких архипелагах Атлантического океана, где оценивалось относительное обилие животных, проводилось их морфологическое и генетическое описание.
База данных — лишь первый шаг. "Мы можем увидеть общие закономерности, происходящие во всех этих линиях, избавиться от мешающих эффектов филогении и понять морфологические изменения", — объясняет Мартинес.
Документируя биоразнообразие в подземных пещерах, учёные могут прояснить природу эволюции. Однако Мартинес признаёт, что исследования подземного мира будут порождать только новые вопросы, и именно поэтому он продолжает возвращаться в эти тёмные водные пещеры.