На сайте журнала «Коммерсантъ Наука» опубликована статья директора НИИ биологии ИГУ Максима Тимофеева, вышедшая под заголовком «Как байкальские рачки разглядели сразу два глобальных похолодания». Приводим текст статьи полностью.
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. Очень вероятно, что это произошло в ледниковые периоды в 2,82–2,48 и 1,75–1,45 миллиона лет назад, когда Байкал круглый год практические полностью был покрыт толстым слоем льда, что заставило его обитателей адаптироваться к выживанию в сумерках.
Пошло не по плану
Как это часто происходит в науке, открытие сделано совершенно случайно и совсем по другому поводу. В 2019 году проект об экосистеме Байкала кандидата биологических наук Полины Дроздовой из НИИ биологии Иркутского государственного университета победил на конкурсе Президентской программы исследовательских проектов и получил поддержку Российского научного фонда в размере 3 млн руб. Грант был рассчитан на два года, заканчивается в этом году, но очень хотелось бы, чтобы исследования были продолжены, потому что полученные результаты оказались довольно интересными.
Первоначальные задачи исследования были довольно утилитарными: ученые занимались поиском у байкальских рачков-амфипод (по-русски — бокоплавов) новых зрительных белков опсинов, поскольку одно из потенциальных применений этих белков — технологии оптогенетики. Почему именно у них? Это напрямую связано с особенностями экосистемы озера. Байкал — единственное озеро на нашей планете, в котором благодаря насыщенности кислородом толщи воды пресноводные организмы могут обитать до глубин больше полутора километров. При этом если в литорали Байкала свет проникает на глубины до 40 м, то начиная с глубины более 100 м света практически нет, там всегда стабильно холодная температура и очень темно.
В темноте больших глубин обитает множество самых разных животных, но наибольшее разнообразие демонстрируют рачки-амфиподы. Всего амфипод в Байкале около 350 видов и подвидов, и у абсолютного большинства из них большие фасеточные глаза. Для многих видов рачков форма и цвет глаз даже являются видоспецифичными признаками, что говорит о важности зрения в жизни этих рачков.
На молекулярном уровне за зрение у всех животных 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. Именно потенциальное разнообразие опсинов у 350 видов байкальских рачков и заинтересовало ученых.
Особенности зрения байкальских бокоплавов
Исследователи провели анализ нуклеотидных последовательностей опсинов у почти 90 видов амфипод со всего мира. Этот анализ показал, что у амфипод встречается только два класса опсинов, а внутри класса может быть до пяти разных белков. Такой анализ не позволяет точно оценить их спектральную чувствительность, однако представители этих двух классов сходны с опсинами, чувствительными соответственно к средней (голубому цвету) и длинноволновой частям спектра (зеленый, желтый, красный).
Байкальские амфиподы не монофилетического происхождения. 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 исключений групп байкальских бокоплавов обнаружены опсины только второго класса и начисто отсутствуют опсины первого класса. При этом у родственных видов из других водоемов обе группы опсинов имеются. 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 в истории зрения байкальских рачков не заканчиваются. Второй класс опсинов 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 более 200 м, вообще имеют только один опсин, а значит они утратили цветное зрение и воспринимают мир черно-белым.
Сумерки и рассветы в Байкале
Хорошо известно, что эволюционный процесс может идти несколькими путями. Наиболее часто он идет путем постепенного накопление мутаций и новых признаков в популяциях, при этом в разных популяциях идет накопление разных признаков. Случаи радикального изменения одного и того же признака в независимо эволюционирующих группах (именно это мы видим у байкальских рачков) обычно свидетельствуют о радикальных же изменениях условий среды обитания.
Чаще всего это какие-то глобальные и катастрофические процессы, будь то массовые выбросы вулканов, падения метеоритов, глобальное потепление или, наоборот, похолодание. Именно последнее скорее всего было причиной массовой утраты байкальскими рачками целого класса белков, когда-то обеспечивавших зрение в средневолновом диапазоне спектра.
Если мы посмотрим на климатическую историю Байкала, то мы увидим, что озеро неоднократно проходило через периоды потеплений и похолоданий. При этом, по мнению ряда исследователей, в отдельные периоды своей истории озеро могло быть покрыто льдом практически полностью, что сопровождалось массовым вымиранием и перестройками экосистем.
При оледенениях многие обитатели Байкала были отрезаны от прибрежной зоны из-за промерзания литорали. Очевидно, что среди них были и байкальские рачки-амфиподы, наибольшее разнообразие которых обитает (и видимо, всегда обитало) в зонах небольших глубин. В периоды оледенений, которые длились не год и даже не один век, все эти виды должны были находиться в крайне неблагоприятных стрессовых условиях, адаптироваться к длительному выживанию под внушительным слоем льда.
При обитании в постоянно сниженном количестве света развитое зрение для рачков, видимо, оказалось ненужной опцией. Более того, при обитании в условиях крайне неблагоприятной среды возникла необходимость максимально «оптимизировать» все энергетические расходы у подледных обитателей. Поэтому эволюция быстро отсекла все лишнее у рачков, в том числе под оптимизацию попала одна из групп светочувствительных белков. Потому мы и видим утрату данного признака у всех без исключения байкальских амфипод. Когда же условия в Байкале вернулись к более теплым и рачки вновь заселили мелководья, восстановить утраченное разнообразие белков им было уже невозможно.
Амфиподы, которые остались жить на больших глубинах, пошли еще дальше: они еще больше редуцировали свое зрение, до одного опсина, и отказались от функции цветного восприятия, а немногочисленные виды, как например глубоководные рачки-гаряевии (Garjajewia sarsi), так и вообще стали слепыми, с полностью отсутствующими глазами как органами. А сохранение у многих амфипод обоих подклассов второго класса опсинов говорит о том, что слой льда все-таки не был настолько толстым, чтобы погрузить всех рачков в полную темноту, в которой ныне обитают глубоководные виды.
Вероятнее всего, лед, будучи достаточно прозрачным, что требовало сохранения цветного восприятия, позволял фотосинтезирующему фитопланктону поддерживать условия для сохранения жизни подо льдом. Именно этот факт, скорее всего, и позволил выжить и сохраниться множеству эндемичных видов Байкала, включая и изучаемых амфипод.
Вот так ученые, занимаясь поиском и описанием белков опсинов, обнаружили новое подтверждение тому, что ранее в ходе своей длительной истории Байкал неоднократно сталкивался с глобальными экосистемными вызовами, имеющими выраженные эволюционные последствия. Пример со зрением байкальских амфипод служит хорошей иллюстрацией того, как климатические катастрофы могут драматическим образом отражаться на всей экосистеме, на ее доминирующих группах и организмах.
Совершенно очевидно, что прошедшие оледенения пережили далеко не все виды из многообразной фауны Байкала предшествующих периодов — только наиболее приспособленные и адаптированные смогли дойти до нашего времени. Но даже и у них мы видим эволюционные «шрамы» — явные следы тех давних катастрофических событий, которые мы можем видеть в буквальном смысле глазами самих байкальских рачков.
