Одни на троих

Исследователи из Камчатского государственного университета имени Витуса Беринга и Института проблем экологии и эволюции РАН обнаружили первый подтвержденный случай экологической диверсификации у южных мальмов в озере Глухом на острове Парамушир. Ученые выявили три четко различающиеся экологические формы одного вида рыб, которые адаптировались к разным условиям обитания в пределах водоема.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Работу выполнили специалисты КамГУ имени Витуса Беринга совместно с коллегами из ИПЭЭ РАН под руководством заведующей молодежной лабораторией исследования антропогенной динамики экосистем КамГУ имени Витуса Беринга Дарьи Паничевой.

«Подобные исследования имеют большую практическую значимость для нашего региона. Они позволяют лучше понять биологические ресурсы Камчатки и Курильских островов, что важно для их рационального использования и охраны. Кроме того, такие работы повышают научный статус нашего университета и укрепляют его позиции в области фундаментальных исследований»,— подчеркнула и. о. ректора КамГУ имени Витуса Беринга Ольга Ребковец.

В озере Глухом ученые обнаружили три формы южной мальмы, которые кардинально отличаются друг от друга по размерам и способу питания. Пелагическая хищная форма включает крупных особей до 60 сантиметров, которые специализируются на питании молодью нерки и другими гольцами в толще воды. Бентопелагическая форма состоит из средних по размеру особей до 30 сантиметров, потребляющих преимущественно бокоплавов на склонах озера. Глубоководная бентосная форма объединяет мелких особей до 20 сантиметров, питающихся моллюсками и личинками насекомых на максимальных глубинах.

Озеро Глухое расположено в труднодоступном месте, в средней части острова Парамушир, в четырех километрах от побережья Охотского моря. Площадь озера составляет один квадратный километр, глубина достигает 30 метров, объем воды — 0,02 кубического километра. Водоем возник в позднем плейстоцене в результате подпруживания реки Шумная при экструзии вулкана Ферсмана.

Хотя первые указания на неоднородность популяции оседлых гольцов были отмечены при первом описании озера в 2001 году, до настоящего времени комплексный анализ этой дивергенции не проводился. Новое исследование позволило детально изучить процесс экологической диверсификации южной мальмы.

Выявленные экологические формы показывают параллелизм с диверсификацией у близкого вида в камчатских озерах: Медвежье, Верхне-Авачинское, Азабачье и Кроноцкое. Это говорит о том, что в сходных условиях эволюционные процессы идут похожими путями.

Предварительный морфометрический анализ — исследование формы и размеров различных частей тела рыб — показал поразительное сходство между экологическими формами из разных озер. При этом степень этого сходства превышает межвидовые различия между южной мальмой и близким видом.

«Получается, что в схожих озерах рыбы развиваются по одному сценарию — природа как будто использует один и тот же рецепт для их эволюции», — объяснила Дарья Паничева.

Ученые планируют проанализировать функциональные роли морфологических преобразований каждой из экологических форм и степень сходства их экологических ниш. В долгосрочной перспективе планируется провести полногеномный анализ для выявления генетических основ параллельной дивергенции, идентифицировать ключевые мутации, ответственные за формирование сходных фенотипов, и изучить молекулярные механизмы конвергентной эволюции у географически изолированных популяций.

Полученные результаты будут иметь важное значение для понимания механизмов видообразования у лососевых рыб. Исследование также вносит вклад в изучение биоразнообразия курильских водоемов и процессов формирования экосистем в условиях островной изоляции.

Исследование выполняется в рамках межведомственной комплексной программы научных исследований Камчатского полуострова и сопредельных территорий на 2024–2026 годы. Координатором программы, объединяющей усилия десяти научных организаций, выступил КамГУ имени Витуса Беринга.

Дарья Паничева, заведующая молодежной лабораторией исследования антропогенной динамики экосистем Камчатского государственного университета имени Витуса Беринга, ответила на вопросы «Ъ-Науки»:

— Как бы вы объяснили суть открытия — появление трех форм одной рыбы в одном озере — для не биолога? Почему это явление так важно для науки?

— Рассмотрим это на примере профессий. При формировании озера появились новые экологические ниши (аналогично тому, как на рынке труда появляются новые профессии). Пока ниши не заняты, они накапливают биоресурс, который никуда не исчезает (сравнимо с ростом спроса на специалистов). Спрос рождает предложение. Постепенно часть популяции начинает использовать этот ресурс, но, поскольку изначально это «рабочие широкого профиля», освоение происходит неэффективно.

Суть экологической специализации заключается в появлении адаптаций — «навыков и инструментов», которые позволяют эффективнее использовать определенные ресурсы (повышать «квалификацию»). В конечном итоге такая специализация и закрепление различий приводят к формированию новых видов.

В случае озера Глухого возникли три специализированные ниши: питание молодью нерки, потребление гаммарусов на литорали и потребление моллюсков на глубине. Для науки здесь важна возможность описывать механизмы видообразования и специализации как базовых эволюционных процессов. Мы располагаем серией подобных случаев с разной степенью выраженности различий между формами и можем сравнивать условия среды, ресурсную базу и антропогенный стресс, чтобы выявлять наиболее значимые переменные при формировании видов.

— Что стало главным фактором, заставившим популяцию разделиться? Была ли это конкуренция за пищу или освоение разных «профессий» (экологических ниш) в озере?

— Главным фактором стало возникновение новых экологических ниш. Ранее на месте озера существовала речная система, которую рыбы использовали для нереста и раннего нагула. После формирования озера условия значительно изменились: экосистема стала более кормной и позволила сформироваться оседлым популяциям.

— Озеро относительно молодое. Насколько быстро, по вашим оценкам, протекал этот процесс диверсификации? Является ли такая скорость удивительной?

— Случай озера Глухого не уникален. Наиболее молодые диверсификации подобного рода обнаружены в озерах, возраст которых в четыре раза меньше. Точный ответ о темпах мы сможем дать после проведения геномного анализа.

— Какие самые яркие анатомические различия (например, в строении челюстей или форме тела) вы обнаружили у этих форм и как они связаны с их способом питания?

— В первую очередь — строение ротового аппарата. У хищных гольцов рот расположен на одной линии с телом (конечный), тело вытянутое, челюсти длинные и очень зубастые. Это помогает преследовать и эффективно хватать других рыб.

У гаммарусоядных рыб рот направлен вниз, губы с мягкими обкладками, что позволяет ощупывать каменистое дно и собирать корм.

У моллюскоядных рыб рот напоминает «бульдожью морду»: нижняя челюсть длинная и служит для черпания ила, в котором находятся моллюски.

— Вы говорите, что природа использует один и тот же «рецепт». Насколько поразительно точным является это сходство между формами из разных, изолированных друг от друга озер?

— Параллелизм поразительно точен: изолированные озера независимо «производят» сходные комплексы признаков для тех же ниш. Полное тождество встречается редко (локальные условия и история важны), но конвергенция высока, словно природа раз за разом собирает похожие «конструкторы» из одних и тех же деталей.

— Это разделение — уже закрепленная генетическая особенность или пока лишь гибкий ответ организма на условия среды (фенотипическая пластичность)?

— Геномный анализ еще не проведен, и говорить о генетических дистанциях пока рано. Тем не менее на основании нашего опыта с большой долей уверенности можно утверждать, что это уже вполне самостоятельные формы.

— Что вы надеетесь обнаружить с помощью запланированного полногеномного анализа? Ожидаете ли найти одинаковые гены, отвечающие за сходные черты у форм из разных озер?

— Как минимум мы сможем определить уровень обмена генами между популяциями, а также темпы и сроки эволюции. Как максимум — описать не только генотипические особенности каждой популяции, но и ответить на вопрос об универсальности эволюционных процессов с точки зрения генома.

В случае обнаружения универсальных генов можно будет говорить о направленной селекции и редактировании генома аквакультурных рыб.

— Делает ли такая узкая специализация формы более уязвимыми к изменению климата или другим угрозам? Нужно ли присваивать озеру особый охранный статус?

— Поиск ответа на этот вопрос ведут многие научные коллективы по всему миру. Мы склонны считать, что прямой или опосредованный антропогенный стресс способен разрушить эту хрупкую систему значительно быстрее, чем глобальное изменение климата.

Данные популяции пережили ряд потеплений и похолоданий и сохранились. Однако истребление нерки в бассейне озера Глухого или чрезмерный вылов гольцов приведут к нарушению баланса пищевых ниш.

С учетом труднодоступности озера и низкого уровня промысла в данный момент особый охранный статус не требуется. Тем не менее мы будем следить за ситуацией и при необходимости примем меры.

— Как это фундаментальное открытие помогает в рациональном использовании и сохранении биологических ресурсов Камчатки и Курил?

— Остров Парамушир испытывает меньшую антропогенную нагрузку по сравнению с Камчаткой. Таким образом, экосистема озера Глухого может служить природным эталоном. Это полезно при оценке длительного антропогенного стресса на сходные экосистемы.

Ксения Слеповронская