Перепись в микроскопе

Ученые Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН и Дальневосточного федерального университета расшифровали ДНК 75 поденок с Камчатки — 10 видов из 36. Поденки живут личинками на дне рек, чувствительны к загрязнению воды и вместе с веснянками и ручейниками входят в индикаторную группу EPT: по числу их видов оценивают чистоту реки.

Различить виды поденок на глаз сложно, поэтому ученые применили ДНК-баркодирование — расшифровку короткого участка гена, который у каждого вида свой. Материал собирали в экспедициях 2014–2022 годов на Камчатке и в других регионах Дальнего Востока.

Сравнение с базой BOLD показало: часть камчатских видов встречается далеко за пределами полуострова — на Аляске, в Юконе и в Швеции, откуда два вида описаны больше века назад. Некоторые образцы в зарубежных базах были записаны под неверными названиями, и новая работа это исправила.

Что стоит за этими результатами, «Ъ-Науке» ответил Александр Семенченко, ведущий автор исследования, научный сотрудник лаборатории экологии и эволюционной биологии водных организмов Института Мирового океана ДВФУ.

— Метод ДНК-баркодирования использует короткий участок одного гена. Почему выбран именно этот конкретный ген, а не какой-то другой? Насколько он универсален для всех видов поденок или для насекомых в целом?

— Мы используем ген COI — участок митохондриальной ДНК, который есть у всех животных, от поденок до китов. Выбрали его не мы одни: еще в начале двухтысячных биологи договорились сделать именно этот ген общим языком для определения видов, и с тех пор на нем построена вся мировая генетическая база BOLD. У него удачное сочетание свойств: он достаточно стабилен, чтобы сравнивать между собой самые разные виды, и в то же время достаточно изменчив, чтобы отличить два похожих вида друг от друга. Для поденок, веснянок, ручейников и вообще насекомых со сложной для определения личиночной стадией это работает одинаково хорошо.

— Для рода Ephemerella ученые предлагают увеличить порог допустимых внутривидовых различий, поскольку у одного вида разброс достиг 6,47%. Насколько этот порог может быть выше и не приведет ли его повышение к тому, что под одним видом начнут объединять уже действительно разные виды?

— У нас в выборке был вид Ephemerella mucronata, где генетические различия между особями с разных концов света достигли 6,47%. Обычно такой разброс — сигнал, что перед тобой два разных вида. Но когда мы посмотрели внимательнее, оказалось, что все эти особи выглядят одинаково и генетически все равно собираются в одну группу на дереве родства. Поэтому мы решили не делить их на несколько видов, а признать, что у этого рода поденок природная изменчивость просто выше, чем у других.

Точную верхнюю границу мы не называем, говорим «6,47% и больше», потому что важен не сам процент, а то, что каждый случай мы проверяем тремя разными способами: смотрим на генетическое дерево, на строение тела и на то, как особи группируются между собой. Если хотя бы один из трех признаков говорит «это разные виды», мы не станем их объединять только из-за высокого процента различий.

— Личинки близких видов морфологически очень похожи. Насколько трудоемким остается процесс сбора и подготовки материала для баркодирования? Можно ли использовать этот метод для оперативного мониторинга прямо в полевых условиях или пока только в лаборатории?

— Собрать материал в поле — самая простая часть работы. Личинку ловим сачком, берем маленький кусочек ткани и сразу опускаем в спирт, чтобы сохранить ДНК. На этом полевая часть заканчивается.

Дальше начинается лабораторная работа, и она куда дольше и капризнее. Из кусочка ткани нужно выделить саму ДНК, размножить нужный участок гена и прочитать получившуюся последовательность на специальном приборе. Весь этот путь занимает недели, а не часы, и требует настоящей молекулярной лаборатории. Прямо в поле, с чемоданчиком у реки, так сделать пока нельзя — нужны и реагенты, и оборудование, которое не унесешь в рюкзаке. Метод точный, но пока не оперативный: сначала едем в экспедицию, потом возвращаемся в лабораторию и там уже определяем вид.

— Поденки входят в группу EPT вместе с веснянками и ручейниками. Почему выбраны именно эти три отряда как основные индикаторы чистоты? Чем они принципиально отличаются от других водных насекомых по чувствительности к загрязнению?

— Поденок, веснянок и ручейников объединяют не потому, что они родственники — это разные отряды насекомых,— а потому, что у них похожая уязвимость. Личинки всех троих живут на дне реки месяцами, а то и годами, дышат через жабры и остро реагируют на нехватку кислорода в воде. Стоит воде загрязниться — и они одними из первых начинают исчезать.

Другие обитатели речного дна устроены выносливее. Личинки некоторых мошек и комаров или малощетинковые черви спокойно живут даже в сильно загрязненной воде, поэтому их присутствие мало что говорит о ее чистоте. А вот если в реке много видов поденок, веснянок и ручейников — это надежный знак, что вода в порядке.

— Сейчас на Камчатке расшифрованы ДНК только для 10 видов из 36. Как именно изменение видового богатства поденок в конкретной реке помогает принимать управленческие решения? Например, если в реке становится меньше видов, что делают природоохранные органы?

— Смысл в том, что чем меньше видов поденок остается в реке, тем сильнее на нее влияет человек — будь то стройка, добыча полезных ископаемых или сброс стоков. Раньше точно посчитать число видов было сложно, потому что личинки близких видов почти неразличимы на глаз. ДНК-баркод убирает эту неопределенность: мы можем точно сказать, сколько видов живет в реке и как это число меняется со временем.

Что дальше делают с этой информацией природоохранные структуры — уже вопрос не науки, а управления. Наша задача — дать точный и надежный индикатор, а как именно на его основании принимаются решения, это уже к профильным ведомствам.

— В международной базе BOLD камчатские виды оказались записаны под другими названиями. Насколько распространены такие ошибки в глобальных базах данных и какую роль это исследование сыграло в исправлении систематики этих насекомых во всем мире?

— Такая путаница в базах данных — обычное дело, когда вид определяли только по внешнему виду, без генетики. У нас было несколько похожих случаев. Например, девять образцов из Китая в базе BOLD числились как отдельный род, а по ДНК оказалось, что это наш дальневосточный вид Baetis pseudothermicus, просто раньше его перепутали. Похожая история с образцами с Аляски: часть из них считали отдельным видом, а генетика показала, что это тот же вид Acentrella diptera, который раньше находили только в Азии.

Такие ошибки возникают либо из-за путаницы при определении вида на глаз, либо из-за особенностей самого алгоритма, который в базе BOLD автоматически формирует генетические группы. Иногда он слишком дробит один вид на несколько кластеров. Насколько часто такое случается во всех базах данных мира, сказать сложно, это отдельное большое исследование. Но конкретно для камчатских поденок мы смогли исправить несколько таких неточностей и расширить известные ареалы сразу пяти видов.

— Как точная оценка чистоты рек с помощью ДНК-баркодирования поденок может помочь жителям Камчатки? Например, это повлияет на качество питьевой воды, на состояние лососевых нерестилищ или на развитие туризма и рыболовства? Или пока это сугубо научная работа, которая в будущем ляжет в основу государственного экологического мониторинга?

— Прямая польза в том, что мы получаем точный и объективный способ следить за состоянием рек. Раньше оценка чистоты воды по поденкам во многом зависела от того, насколько специалист способен различить похожие виды личинок. Генетический метод убирает эту субъективность.

Наша работа поддержана грантом Минобрнауки именно в рамках комплексного экологического мониторинга Камчатки, так что цель у нее вполне прикладная. Я бы не стал напрямую обещать, что это сразу улучшит питьевую воду или лососевые нерестилища: для таких выводов нужны дополнительные исследования. Но реки Камчатки — это и есть нерестилища, и чем надежнее мы умеем оценивать их состояние, тем раньше можно заметить проблему, пока она не выросла в серьезную.

Работа выполнена в рамках Межведомственной комплексной программы научных исследований Камчатского полуострова и сопредельных акваторий при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Программу ведут 11 научных и образовательных организаций под координацией Камчатского государственного университета имени Витуса Беринга. Результаты опубликованы в журнале Far Eastern Entomologist.

Татьяна Чернова