Дикие цветы эволюционировали удивительно быстро, чтобы пережить сильную засуху

Фото из открытых источников

Алый мимулюс в горшке может выглядеть прекрасно сегодня, а через несколько дней завянуть, если его забыть полить. Но в дикой природе некоторые популяции этого же вида пережили жестокую четырехлетнюю засуху в Калифорнии. 

Полевые цветы выжили не потому, что засуха «была не такой уж сильной» или потому, что растения нашли скрытую воду. Они выжили, потому что, согласно новому исследованию, эволюционировали достаточно быстро, чтобы адаптироваться к новым условиям.

Исследователи более десяти лет отслеживали популяции алого мимулюса в Орегоне и Калифорнии. 

Группа исследователей сообщает о том, что ученые давно обсуждали, но редко могли воспроизвести в природе от начала до конца: вызванное изменением климата сокращение численности, быстрая генетическая адаптация по всему геному, а затем восстановление в некоторых популяциях. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Иными словами, «эволюционное спасение» происходит в реальном мире, а не только в теории или лабораторных экспериментах.

«По сути, мы обнаружили, что популяции, которые восстановились, также являются популяциями, которые эволюционировали быстрее всего», — сказал соавтор исследования Даниэль Анстетт из Корнельского университета.

Концепция эволюционного спасения — это своего рода знаменитое явление, которому не соответствует ни один документальный фильм. Исследователи показали, что это возможно в лабораторных условиях, а модели предполагают, что это должно происходить при определенных условиях. 

Однако это исследование представлено как первое полное исследование естественной популяции, которое связывает воедино все элементы: давление изменения климата, сокращение численности популяции, адаптация в масштабах всего генома, а затем и восстановление.

Это важно, потому что засухи и другие экстремальные явления, как ожидается, станут более частыми по мере глобального потепления. 

Если некоторым популяциям удается эволюционировать достаточно быстро, чтобы выжить, это меняет наше представление о риске. Это не делает изменение климата безвредным, но добавляет новое измерение в то, как виды могут справляться с ним — или терпеть неудачу.

«А наблюдаемое нами генетическое разнообразие, еще до засухи, предсказывало восстановление демографической ситуации через пять, шесть, семь лет», — сказал Анстетт. «Это поразительно. Это тот самый хрустальный шар, который мы можем использовать для предсказания будущего».

История начинается в 2010 году, когда соавтор исследования Эми Ангерт из Университета Британской Колумбии и тогдашняя аспирантка Сима Шет, ныне работающая в Университете штата Северная Каролина, начали отслеживать изменения в популяциях мимулюса в Орегоне и Калифорнии. Они не ставили перед собой цель пережить историческую засуху. Они вели тщательную долгосрочную работу, результаты которой зачастую проявляются лишь позже.

Затем в 2012 году в Калифорнии разразилась засуха. В исследовании отмечается, что это была самая сильная засуха за более чем 10 000 лет. Население начало сокращаться. Некоторые выжили. Некоторые испытывали трудности. Некоторые исчезли.

По мере ухудшения ситуации исследователи поняли, что у них есть нечто редкое: снимок «до», который можно сравнить со снимком «после». 

Более того, они сохранили семена в лаборатории, по сути, создав биологический архив, отражающий состояние этих популяций до того, как изменение климата нанесло им сокрушительный удар.

Используя данные, полученные до засухи, Анстетт и его команда создали генетическую базу, секвенировав полные геномы 55 популяций.  Они искали не просто случайные различия. Особое внимание уделяли генетической изменчивости, связанной с климатическими различиями в пределах ареала распространения растения. 

Это позволило им составить карту «климатически связанных участков» в геноме — мест, где естественный отбор может способствовать изменениям при наступлении засухи.

Затем они наблюдали за тем, что происходило по мере развития засухи. Численность населения сократилась. Генетические закономерности изменились. Некоторые группы адаптировались в достаточной степени, чтобы выжить. Другие — нет.

«На самом деле, это история успехов и неудач, а также различных стратегий, некоторые из которых оказались более успешными, чем другие», — сказал Анстетт. «Эволюция не умеет предвидеть будущее — это процесс, подобный процессу гравитации».

Исследовательская группа обнаружила, что особенно хорошо себя показали три популяции. Это были популяции с наиболее выраженной адаптацией в генетических участках, связанных с климатом. 

Проще говоря: те растения, геномы которых наиболее сильно изменились в «правильном» направлении, связанном с засухой, впоследствии выглядели наиболее здоровыми.

Исследователи пока не могут составить четкий список «генов засухи». Но у них есть подсказки о том, какие именно признаки могут быть задействованы.

Анстетт отметил, что изменения, по-видимому, коррелируют с различиями в структуре устьев — крошечных пор на листьях, которые открываются и закрываются, контролируя потерю воды и поглощение углерода, — а также с тем, как растение использует углерод в процессе фотосинтеза. 

Именно такие свойства, как и следовало ожидать, оказывает засуха. Если растение может ограничить потерю воды, не лишая себя при этом углерода, у него больше шансов на выживание.

Тем не менее, исследование здесь проведено тщательно. Команда видит сигналы, но точные гены, контролирующие эти признаки, остаются неизвестными.

«Это отправная точка для дальнейших исследований. Выявление генов, участвующих в этой эволюции, поможет нам понять, какие признаки позволяют популяциям выживать в периоды длительной засухи», — сказал Анстетт. «Также пока нет окончательного вердикта о том, помогает ли генетическая адаптация, произошедшая во время засухи, в долгосрочной перспективе. Мы все еще работаем над этим».

Последний пункт важен. Признак, помогающий в условиях засухи, может иметь свои недостатки при изменении условий. Эволюция может решить одну проблему и случайно создать другую. Исследование не утверждает, что эти риски уже решены.

Заявление команды о «хрустальном шаре» может сделать эту работу особенно полезной. Если генетическая изменчивость, измеренная до экстремального события, может предсказать, какие популяции восстановятся спустя годы, это потенциально очень важно для планирования природоохранных мероприятий. 

Это позволяет предположить, что ученые смогут проводить мониторинг видов, находящихся под угрозой исчезновения, выявлять популяции с лучшим адаптивным потенциалом и определять приоритетные направления для защиты – или использовать их в качестве источников для восстановления.

«Это всего лишь один вид, но он является очень хорошим индикатором адаптации к засухе», — сказал Анстетт. «Сохранение природы — сложный процесс, и это дает лицам, принимающим решения, больше информации, которую можно интегрировать с другими видами знаний — это еще один инструмент в нашем арсенале для попытки сохранения видов».

Это не гарантирует, что эволюция всегда будет спасать виды. Многие популяции, исследованные в данном исследовании, всё же сократились или исчезли.

Однако исследования показывают, что для некоторых организмов генетические инструменты могут помочь нам распознать признаки устойчивости еще до того, как они станут очевидными на практике.

В настоящее время лаборатория Анстетт использует семена мимулюса , выращенные в период с 2017 по 2025 год, чтобы выяснить, что произошло после восстановления популяции и изменит ли недавняя эволюция реакцию популяций на будущие климатические изменения. 

Следующий вопрос: не только «выжили ли они», но и «какой ценой они были выжившими», и «сделало ли это их сильнее или более уязвимыми для следующего потрясения?»

Для Анстетта этот проект имел огромное личное значение – долгий, сложный и творческий период исследований, который еще глубже погрузил его в геномику.

«В конечном итоге это очень творческий процесс, чего совсем не ожидаешь, но ты постоянно находишь новые способы обработки данных», — сказал он. «Это исследование также стало очень важной частью жизни многих людей — моя жена является вторым автором, поэтому мы сотрудничали над ним, и все мы работали вместе во время пандемии. С этим исследованием переплелось множество жизней».

Засуха была экстремальной. Потери были реальными. Но главный вывод исследования на удивление обнадеживающий.

Иногда эволюция происходит достаточно быстро, чтобы это имело значение в масштабах изменения климата, и если мы научимся распознавать этот потенциал на ранней стадии, мы сможем лучше выбирать, что и где спасать.