Изучая зрение байкальских рачков-амфипод, иркутские биологи обнаружили, что все виды, обитающие в озере, в какой-то момент потеряли одну и ту же группу светочувствительных белков опсинов. По мнению ученых, это могло произойти из-за того, что в прошлом значительная часть Байкала была покрыта толстым слоем льда, что заставило его обитателей адаптироваться к выживанию в сумерках. Статья об исследовании, поддержанном грантом Президентской программы РНФ, опубликована в журнале BMC Ecology and Evolution.
В Байкале обитает множество животных, но наибольшее разнообразие получили именно рачки-амфиподы, которые населяют как литораль (мелководье) озера, так и зоны больших глубин. Всего амфипод в Байкале около 350 видов и подвидов, и у абсолютного большинства из них большие фасеточные глаза. Кроме того, у многих видов форма и цвет глаз даже являются видоспецифичными признаками — то есть помогают отличить один вид от другого. Это говорит о важности зрения для местных популяций.
Изначально группа ученых из НИИ биологии Иркутского государственного университета занималась поиском у байкальских амфипод новых зрительных белков опсинов. Опсины – светочувствительные рецепторы, которые находятся в клетках сетчатки, – вызывают большой интерес, поскольку потенциально могут найти применение в оптогенетике. Эндемичные рачки были выбраны исследователями неслучайно. Дело в том, что Байкал — единственное озеро на нашей планете, в котором благодаря насыщенности кислородом толщи воды пресноводные организмы могут обитать на глубинах больше полутора километров. При этом если в литорали Байкала свет проникает на глубины до 40 метров, то начиная с глубины более 100 метров света практически нет: там всегда стабильная холодная температура и очень темно. При этом во всех зонах глубин Байкала обитают рачки-амфиподы, которых в озере насчитывают 350 видов и подвидов. Именно потенциальное разнообразие белков у этого множества видов и привлекло исследователей.
«На молекулярном уровне за зрение у всех животных, в том числе и у рачков, отвечают зрительные пигменты, состоящие из белков опсинов и их кофакторов — производных витамина A. Если у организма есть лишь один такой белок, то он различает только интенсивность света, а если таких белков несколько, то формируется цветное зрение», - поясняет руководитель исследования по гранту РНФ Полина Дроздова, кандидат биологических наук, сотрудник НИИ биологии ИГУ.
Биологи провели анализ нуклеотидных последовательностей опсинов у почти 90 видов амфипод со всего мира. Оказалось, что всего у них встречается лишь два класса опсинов, а внутри класса может быть до пяти разных белков. Такой анализ не позволяет точно оценить их спектральную чувствительность, но по последовательности эти два класса сходны с опсинами, которые чувствительны к средней (голубому цвету) и длинноволновой частям спектра (зеленый, желтый, красный) соответственно.
Здесь важно заметить, что байкальские амфиподы не обладают единым происхождением: предполагается, что их предки проникали в озеро как минимум дважды с разницей в миллионы лет. Поэтому ученые ожидали обнаружить молекулярные различия, связанные с давностью нахождения видов и длительностью их приспособления к особым байкальским условиям.
Однако выяснилось, что у всех без исключения групп байкальских бокоплавов обнаружены опсины только второго класса и полностью отсутствуют опсины первого. При этом у родственных видов из других водоемов оба класса есть. Это говорит о том, что все виды байкальских амфипод, независимо от происхождения и времени нахождения в Байкале, в силу неких причин разом потеряли одну и ту же группу светочувствительных белков.
Но на этом потери байкальских рачков не закончились. Второй класс опсинов у амфипод в свою очередь тоже делится на два подкласса, и один из них также оказался утерян у всех исследованных глубоководных видов. Более того, установлено, что байкальские бокоплавы, которые регулярно встречаются на глубинах глубже 200 метров, вообще имеют только один опсин, а значит, они утратили цветное зрение и воспринимают мир черно-белым.
Случаи радикального изменения одного и того же признака в независимо эволюционирующих группах обычно свидетельствуют о резких изменениях условий среды обитания. Чаще всего это масштабные и катастрофические процессы — например, массовые выбросы вулканов, падения метеоритов, глобальное потепление или, наоборот, похолодание. По мнению авторов, именно последнее стало причиной массовой утраты байкальскими рачками целого класса белков, которые когда-то обеспечивали зрение в средневолновом диапазоне спектра.
Исследования показывают, что в прошлом Байкал неоднократно проходил через периоды как потеплений, так и похолоданий. При этом, по мнению ряда ученых, в отдельные периоды своей истории озеро могло быть покрыто льдом практически полностью, что сопровождалось массовым вымиранием и перестройками экосистем.
По всей видимости, в один из таких периодов обитатели Байкала оказались отрезаны от прибрежной зоны из-за промерзания литорали. В периоды оледенений, которые длились не одно столетие, амфиподы были вынуждены находиться в стрессовых условиях и адаптироваться к длительному выживанию в сумерках под внушительным слоем льда. В такой среде цветное зрение, видимо, стало ненужной опцией, и именно первый класс опсинов попал под «оптимизацию». Когда же условия в Байкале вернулись к более теплым и рачки вновь заселили мелководья, восстановить утраченное разнообразие светочувствительных белков было уже невозможно.
Амфиподы, которые остались жить на больших глубинах, пошли еще дальше: они «отказались» от функции цветного восприятия, а немногочисленные виды, такие как глубоководные рачки-гаряевии (Garjajewia sarsi), и вовсе стали слепыми, утратив глаза в ходе эволюции.
В то же время сохранение у большинства видов амфипод обоих подклассов второго класса опсинов однозначно говорит о том, что слой льда не был настолько толстым, чтобы погрузить всех рачков в такую же темноту, в которой сегодня обитают глубоководные виды. Вероятнее всего, лед, будучи достаточно прозрачным, позволял проникать свету в объеме, позволяющем фотосинтезирующему фитопланктону поддерживать условия для сохранения жизни. Именно этот факт, скорее всего, и обеспечил возможности выживания множеству эндемичных видов Байкала, включая и изучаемых амфипод.
«Новый пример со зрением байкальских амфипод также служит хорошей иллюстрацией того, как климатические катастрофы могут драматическим образом отражаться на всей экосистеме. Очевидно, что прошедшие оледенения пережили далеко не все виды из многообразной фауны Байкала — только наиболее приспособленные и адаптированные смогли дойти до нашего времени. Но даже у них мы видим эволюционные «шрамы» — явные следы тех катастрофических событий. Событий, о которых мы можем узнать и увидеть буквально глазами самих байкальских рачков», — комментирует соавтор работы Максим Тимофеев, доктор биологических наук, директор НИИ биологии ИГУ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
