Анализ ДНК рыб показывает, как деятельность человека меняет реки по всему миру

Фото из открытых источников

В теплых тропических реках кишит рыба так, как никогда не бывает в холодных северных реках. Чем больше речной бассейн, тем длиннее список видов, а тепло тропиков ещё больше расширяет этот список. Немногие закономерности в природе кажутся настолько надёжными.

Международное исследование подтвердило эту закономерность в более чем ста речных системах с использованием ДНК, дрейфующей в воде. Затем исследователи обнаружили, где эта тенденция начинает давать сбой. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.

Каждая рыба оставляет за собой след. Клетки кожи, чешуя и отходы отшелушиваются в течение, каждый кусочек несет в себе фрагмент ДНК животного. Целью нового исследования было изучение именно этого дрейфующего материала.

Для мониторинга ДНК окружающей среды ученым не нужно прикасаться к живому животному или даже видеть его. Исследователи просто берут пробу воды, извлекают ДНК и сравнивают полученные последовательности с базой данных известных видов рыб.

Группа ученых из Цюрихского университета (UZH) и Юньнаньского университета в Китае (YNU) объединила образцы из 113 речных систем. Образцы были собраны в 2000 местах на пяти континентах. Соавтор исследования Ян Чжан объединил данные в единую картину.

На основе анализа ДНК окружающей среды команда оценила четыре различных аспекта биоразнообразия. Это важно, потому что простое указание количества видов не дает полного представления о том, как на самом деле функционирует река. Один из аспектов — это просто количество видов рыб, обитающих в данной местности.

Другая сторона вопроса о биоразнообразии заключается в том, охватывают ли виды различные экологические роли и может ли более одного вида выполнять каждую из них, чтобы потеря одного вида не оставляла после себя существенного пробела.

На третьей стороне измеряется расстояние между рыбами на древе жизни, что позволяет отличить реку, населенную близкими родственниками, от реки, содержащей древние родословные. Последний показатель отслеживает генетическое разнообразие внутри каждого вида.

В больших реках обитает больше живых организмов. Этого и следовало ожидать. По мере расширения водосборного бассейна в нем появляется все больше видов. Неожиданным оказалось то, насколько сильно температура повлияла на результат.

В теплых регионах этот процесс накопления видов был гораздо более резким. По мере увеличения размеров водосборных бассейнов, виды быстро накапливались в тропических реках, в то время как в реках холодного климата прирост видов происходил гораздо медленнее.

По всей видимости, тепло способствует увеличению биоразнообразия по мере роста рек – до определенного предела. Более ранние исследования намекали на эту связь с климатом, но никогда ранее не применялся один метод, охватывающий такое большое количество рек.

Благодаря возможности считывания идентичной ДНК повсюду, команда смогла сравнить тропический и полярный ручьи на равных условиях.

Затем в данных появились данные о людях. Там, где наблюдалась высокая человеческая активность, преимущество теплого климата исчезло, и резкое увеличение численности жизни, которое обычно обеспечивает тепло, сгладилось.

До этого анализа никто не мог однозначно разделить влияние климата и антропогенного воздействия на реки мира, создав единую картину. Дороги, города, фермы и плотины – все это отражает след человеческой деятельности, и невозможно возложить всю вину за потери на какой-либо один объект.

«Мы обнаружили, что воздействие человеческой деятельности различается в зависимости от региона, что подчеркивает необходимость принятия мер защиты, адаптированных к местным условиям», — сказал профессор Флориан Альтерматт из Цюрихского университета.

Пресноводные рыбы уже сейчас входят в число наиболее уязвимых животных на Земле: около четверти видов пресноводных рыб находятся под угрозой исчезновения. Как представляется, антропогенное воздействие распространяется не только на отдельные реки, но и на общие правила, определяющие места концентрации жизни.

Это давление распределялось неравномерно по всем четырем сторонам биоразнообразия. Три показателя – численность видов, распределение экологических рабочих мест и генетическое разнообразие внутри видов – пострадали сильнее всего в крупнейших водосборных бассейнах.

Выявление наиболее резких спадов в этих крупных системах противоречит интуитивному представлению о том, что больший размер означает лучшую защиту. Показатели того, насколько богата эволюционная история реки, изменились в противоположную сторону: больше всего пострадали небольшие верховья рек, а в более крупных водосборных бассейнах ситуация улучшилась.

В этих малоизученных цепочках одна утраченная линия развития может стереть миллионы лет эволюции, которых нет ни в чем другом. Контраст стал очевиден лишь при одновременном измерении нескольких аспектов биоразнообразия.

Результаты работы команды являются надежными. Один из воспроизводимых методов, заключающийся в считывании ДНК, полученной непосредственно из речной воды по всему миру, позволяет отслеживать сразу несколько аспектов жизни рыб.

Этот метод позволяет отделить влияние климата от нагрузки, вызванной деятельностью человека. Традиционные методы исследований медленны и дорогостоящи, из-за чего самые отдаленные и богатые видами регионы практически не находятся под наблюдением.

Пробу воды, напротив, быстро собрать, и это легко сделать на тысячах участков. Это позволяет отслеживать изменения биоразнообразия в глобальном масштабе. Более оперативный мониторинг также способствует достижению глобальных целей, подписанных правительствами, включая обязательство остановить утрату биоразнообразия в этом десятилетии.

По мнению ученых, более глубокие изменения заключаются в том, как функционирует сама эта область. Исследования биоразнообразия превращаются в науку о данных, где объединение данных в таком масштабе позволяет выявлять закономерности, недоступные для отдельных исследований.