Сельдь адаптировалась в Балтийском море благодаря генетическим изменениям

Фото из открытых источников

Во время нереста сельдь выпускает икру прямо в открытую воду, не имея ни гнезда, ни укрытия, которые могли бы защитить её от окружающей среды. В Атлантике это означает морскую воду полной концентрации. В Балтийском море вода настолько разбавлена, что её едва можно назвать солёной.

Сельдь, тем не менее, адаптировалась к условиям Балтийского моря. Популяция сельди существует там уже 8000 лет, и её численность процветает, являясь достаточно большой, чтобы поддерживать всю пищевую цепь.

В новом исследовании ученые проследили, как происходила адаптация сельди, ген за геном. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Балтийское море — молодое море. Оно образовалось примерно 8000 лет назад, когда закончился последний ледниковый период и талые ледниковые воды заполнили котловину, едва соединенную с соленым Северным морем.

В результате получается водоём, не похожий ни на один океан. Соленость во внутренней части Ботнического залива падает до 2 или 3 частей на тысячу, в то время как в открытом Атлантическом океане она составляет 34 или 35.

Немногие морские рыбы способны пересечь этот пролив. Атлантическая сельдь смогла это сделать, и за прошедшие поколения колонизирующая популяция превратилась в то, что биологи теперь называют балтийской сельдью.

Чтобы точно определить, что именно вызвало разницу, исследователи секвенировали полные геномы сельди из обоих морей. Исследование возглавил Лейф Андерссон, профессор функциональной геномики Уппсальского университета.

Результаты исследований показали наличие четырех генов, связанных с наиболее уязвимым этапом жизни сельди: размножением в открытой воде, известным как внешнее оплодотворение.

Сперматозоиды, яйцеклетки и эмбрионы попадают в солоноватую воду без защиты. Эта деталь объясняет наблюдаемую закономерность.

Наземные животные защищают свои яйца изнутри. Большинство морских рыб этого не делают. Независимо от того, в какой солености окажется эмбрион, именно в такой солености он должен развиваться.

Сперматозоиды, попадающие в почти пресную воду, сталкиваются с проблемой давления. Пресная вода стремительно прибывает внутрь, вызывая их набухание до тех пор, пока их функция не нарушается.

Первый ключевой ген, LRRC8C2, кодирует молекулярный канал, обнаруженный только в сперматозоидах. У балтийской сельди он имеет другую структуру.

Исследователи считают, что измененная версия образует более широкие отверстия, позволяя ионам и малым молекулам выходить достаточно быстро, чтобы предотвратить набухание клеток даже при солености, характерной для внутренних районов Балтики. Сперматозоиды остаются подвижными. Оплодотворение происходит.

Яйца сталкиваются с той же угрозой набухания, только в более выраженной форме. Пресная вода проникает в яйцо через окружающую оболочку, и набухшее яйцо разрывается до того, как сможет сформироваться эмбрион.

В балтийской линии этот вопрос решают два гена одновременно.

Один из них, ZPBA1, участвует в построении структурного белка в яйцевой оболочке; балтийская версия построена иначе. Другой, кластер ферментов FTG, обеспечивает более прочное сшивание этих белков. В результате получается более жесткая оболочка, которая не разбухает. Это решение не является незаметным.

Скоординированные изменения в нескольких генах воздействуют на одну физическую структуру – это сигнал устойчивого адаптивного давления, как отмечалось в недавнем обзоре адаптации в странах Балтии.

Более жесткая оболочка создает свою собственную проблему: вылупившейся личинке нужно выбраться наружу. Балтийская сельдь решила эту проблему за счет количества, а не изменения конструкции.

Они содержат 20 дополнительных копий HE1C, фермента, который растворяет оболочку яйцеклетки изнутри.

Оболочка, защищающая эмбрион на протяжении всего развития, к моменту вылупления становится достаточно тонкой, чтобы личинка могла освободиться.

Наличие 20 дополнительных копий одного и того же гена является явным признаком сильного естественного отбора.

Исследователи давно подозревали, что причиной является проблема с размножением. До этого исследования никто не смог отследить конкретные гены или объяснить, как работает каждый из них.

Общая закономерность, выявленная по всем четырем генам, рассказывает одну логичную историю: сперматозоиды защищены от набухания, а яйцеклетки — от давления воды с низкой соленостью.

Фермент, активность которого усиливается для разрушения новой структуры изнутри. Каждое исправление вставляется в следующее.

«Это исследование — классический пример того, как сильный естественный отбор приводит к генетическим изменениям во множестве генов, которые в совокупности обеспечивают успешное размножение в новой среде», — сказал Андерссон.

Вся сельдь, отобранная в Балтийском море, независимо от региона, имеет одинаковую четырехгенную сигнатуру. Это означает, что каждая балтийская линия прошла через одно и то же серьезное эволюционное «бутылочное горло».

Карл Линней, натуралист XVIII века, основоположник современной биологической классификации, рассматривал балтийскую сельдь как подвид атлантической. Это мнение сохраняется уже 260 лет.

Эта работа, в сочетании с недавней статьей по популяционной генетике , дает основания для возвращения к этой теме в данной области.

Представленные здесь четыре репродуктивных гена — это не незначительные вариации. Это скоординированные функциональные изменения, влияющие на наиболее важную ось в биологии — кто с кем может спариваться и чье потомство выживает до вылупления.

«Выявленные в результате молекулярных исследований поразительные генетические изменения между балтийской и атлантической сельдью дают основания для классификации балтийской сельди как отдельного вида», — сказал Андерссон.

Это больше, чем просто таксономия. Балтийская популяция является опорой экосистемы, которая, как показывают многолетние исследования, от неё зависит.

Планктон поднимается через сельдь к треске, лососю, морским птицам, тюленям и людям. Этот аргумент в пользу сохранения биоразнообразия теперь подкреплен новыми генетическими исследованиями.

«Это очень веский аргумент в пользу гораздо более жестких ограничений на промышленный лов этого важного вида рыбы», — сказал Андерссон.

Четыре репродуктивных гена, работая согласованно, теперь разделяют две популяции, которые до недавнего времени были объединены в одну группу.

У балтийской сельди в процессе эволюции развились сперматозоиды, приспособленные к воде с низкой соленостью, более прочные яйца, устойчивые к набуханию, и фермент, помогающий личинкам пробивать затвердевшую оболочку яйца.

Если балтийская популяция является отдельным видом с функциональной точки зрения, с репродуктивным механизмом, формировавшимся 8000 лет, то ни один атлантический резервуар не сможет её заменить.