ДНК вымоченных в роме рыб рассказывает о вековых изменениях окружающей среды

Фото из открытых источников

В октябре 1907 года корабль ВМС США «Альбатрос» вышел из Сан-Франциско и направился на запад, к Филиппинам. 61-метровое судно, эксплуатируемое Комиссией по рыболовству США, стало первым в мире судном, специально построенным для научных исследований, и эта экспедиция стала его самой продолжительной. За три года исследователи собрали около 79 000 экземпляров рыб в заливах и на рифах Филиппин, задокументировав 117 новых видов.

Сейчас группа экологов и генетиков изучает эти образцы, чтобы выяснить, как изменилось богатое морское биоразнообразие Филиппин после столетия роста рыболовства и загрязнения. Сравнивая ДНК исторических особей с ДНК современных популяций рыб, группа обнаружила, что численность рыб не только сократилась, но и их генетическое разнообразие сократилось на 4–6% у трёх репрезентативных видов. Это вызывает беспокойство, говорит соруководитель проекта Малин Пински из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, поскольку «генетическое разнообразие создаёт основу для адаптации к новым условиям. Сокращение генетического разнообразия означает снижение способности адаптироваться к текущим и будущим изменениям океана».

Результаты, опубликованные в на bioRxiv и в The American Naturalist, — лишь первые в рамках масштабного проекта по документированию изменений в одном из самых богатых биологическим разнообразием сообществ рыб в мире. «Это действительно интересный материал, поскольку мы почти ничего не знаем об истории таких популяций», — говорит Бастиан Стар, биолог-эволюционист из Университета Осло, не принимавший участия в проекте.

Около 10 лет назад соруководитель проекта Кент Карпентер задумал обратиться к ДНК образцов, найденных на борту USS Albatross, чтобы больше узнать о рыбах региона. Этот специалист по сохранению морской среды из Университета Олд Доминион начал изучать морскую жизнь Филиппин в 1970-х годах. С тех пор каждый раз, когда он приезжал туда, деградация морей была очевидна. Некоторые виды полностью исчезли. «Произошли кардинальные изменения», — говорит он.

В 2017 году Карпентер и международная группа исследователей, включая учёных из Университета Силлимана и других институтов на Филиппинах, запустили проект по сбору современных образцов рыбы из тех же районов, которые более века назад посетил USS Albatross. В отличие от исторических коллекционеров, у команды Карпентера не было исследовательского судна. Вместо этого они в основном закупали свежую рыбу на сельских рынках и в портах. На данный момент им удалось собрать более 10 000 образцов.

Они также извлекли ДНК из видов, собранных USS Albatross в наибольшем количестве. К счастью для современных генетиков, команда сохранила рыбу, используя дешёвую и доступную жидкость: крепкий ром. Большинство старых музейных экспонатов хранятся в формалине, который повреждает ДНК. Спирт же, напротив, оставляет гораздо больше генетического материала нетронутым.

Ещё одним преимуществом стал огромный размер коллекции. Добыча USS Albatross, хранящаяся в Национальном музее естественной истории Смитсоновского института, иногда включала десятки особей одного вида, что позволило команде оценить генетическое разнообразие исторических популяций. Пински называет этот проект «крупнейшим проектом по секвенированию генома в тропических морских глубинах».

В одном из исследований, опубликованном в прошлом месяце на bioRxiv, изучались два вида пони (Equulites laterofenestra и Gazza minuta), обитающие в мелководных прибрежных водах и являющиеся объектом интенсивного промысла. Работа, являющаяся частью докторской диссертации Рене Кларка в Ратгерском университете, показала, что генетическое разнообразие обоих видов сократилось на 6% после экспедиции USS Albatross.

Чтобы убедиться, что результаты не являются следствием ошибок секвенирования, которые чаще встречаются в старых, деградировавших образцах, Кларк говорит, что они пытались «использовать эти данные всеми возможными способами, чтобы убедиться в их подлинности, а не в артефакте исторической ДНК». Они также обнаружили намёк на причину потери разнообразия: серьёзное «бутылочное горлышко» популяции. Анализ новых геномов показал, что численность размножающихся пони-рыб сократилась до нескольких десятков примерно за последние 50 лет, возможно, из-за интенсивного рыболовства и загрязнения среды их обитания.

Другое исследование выявило аналогичную закономерность для рифового кардинала (Taeniamia zosterophora). В статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале The American Naturalist, Кайра Фиц, бывшая аспирантка Ратгерского университета, и её коллеги сообщают, что генетическое разнообразие этого вида сократилось на 4% в проливе Себу — месте, где наблюдается сильный рыболовный прессинг, — но не на более удалённом рифе.

Сокращение численности превышает показатели, обычно наблюдаемые для видов умеренного климата. В метаанализе 140 экономически ценных видов, таких как треска, проведенном в 2014 году, Пински обнаружил в среднем потерю разнообразия на 2%. По словам Нины Овергард Теркилдсен, специалиста по эволюционной генетике из Корнеллского университета, тот факт, что резкое сокращение численности было зафиксировано в тропическом архипелаге, не обязательно вызывает удивление. Популяции прибрежных и рифовых рыб, как правило, изначально меньше, поскольку их ареалы обитания более неоднородны, а распространение зачастую более ограничено; а когда численность популяции становится опасно низкой, вероятность исчезновения редких аллелей возрастает.

Исследования действительно принесли хорошие новости. Фиц обнаружил, что около 4% генетических маркеров кардинала демонстрируют признаки естественного отбора, что говорит о том, что рыба адаптируется к некоторым изменениям окружающей среды. Эти изменения наиболее выражены в проливе Себу, где воздействие на окружающую среду было более интенсивным. Эти свидетельства естественного отбора обнадёживают, считает Стив Палумби, морской эколог из Стэнфордского университета. «Я думаю, это хорошие новости».

Группа планирует подкрепить свои выводы, сравнив геномные данные с любыми изменениями формы, которые претерпел вид с 1910 года. Член группы Надя Паломар-Абесамис, морской эколог из Силлимана, измеряет как современные, так и исторические образцы, чтобы выявить изменения, которые могли быть вызваны давлением рыболовства и деградацией среды обитания.

Генетический анализ также продолжается. К настоящему времени команда секвенировала более 5000 геномов 39 видов, надеясь найти больше информации о том, как рыбы жили на протяжении последнего столетия. «Мне очень интересно узнать, что из этого выйдет», — говорит Теркилдсен.