Вулканическое озеро на краю света стало лабораторией эволюции
Ученые из Камчатского государственного университета имени Витуса Беринга и Института проблем экологии и эволюции РАН сделали важное открытие: они зафиксировали первый подтвержденный случай экологического разделения внутри популяции южных мальм в озере Глухом, расположенном на острове Парамушир. Было установлено, что один вид рыбы адаптировался к различным условиям обитания в водоеме, образовав три четко выраженные экологические формы.
Исследование было проведено специалистами КамГУ имени Витуса Беринга в сотрудничестве с учеными из ИПЭЭ РАН. Руководство проектом осуществляла Дарья Паничева, возглавляющая молодежную лабораторию по изучению антропогенной динамики экосистем при КамГУ.
Исполняющая обязанности ректора КамГУ имени Витуса Беринга Ольга Ребковец отметила, что подобные исследования чрезвычайно важны для региона. Они способствуют углубленному пониманию биологических ресурсов Камчатки и Курильских островов, что критически важно для их устойчивого использования и защиты. Кроме того, такая научная деятельность повышает престиж университета и укрепляет его позиции в сфере фундаментальных исследований.
В озере Глухом были идентифицированы три distinct формы южной мальмы, каждая из которых имеет свои уникальные размеры и пищевые предпочтения. Первая — пелагическая хищная форма — представлена крупными особями (до 60 см), которые охотятся на молодь нерки и других гольцов в открытой воде. Вторая — бентопелагическая форма — включает средних рыб (до 30 см), основным рационом которых являются бокоплавы, обитающие на склонах озера. Третья — глубоководная бентосная форма — состоит из мелких особей (до 20 см), питающихся моллюсками и личинками насекомых на значительных глубинах.
Озеро Глухое, водоем площадью один квадратный километр и глубиной до 30 метров (объем воды 0,02 куб. км), находится в труднодоступной центральной части острова Парамушир, в четырех километрах от побережья Охотского моря. Его происхождение связано с поздним плейстоценом, когда река Шумная была запружена извержением вулкана Ферсмана.
Несмотря на то что первые признаки неоднородности популяции оседлых гольцов были зафиксированы еще в 2001 году при первом исследовании озера, всесторонний анализ этой дивергенции не проводился до недавнего времени. Новое исследование позволило углубленно изучить процесс экологического разделения южной мальмы.
Обнаруженные экологические формы демонстрируют поразительный параллелизм с процессом диверсификации, наблюдаемым у близкородственных видов в других камчатских озерах, таких как Медвежье, Верхне-Авачинское, Азабачье и Кроноцкое. Этот факт свидетельствует о том, что в схожих природных условиях эволюция может развиваться по аналогичным сценариям.
Первичный морфометрический анализ, включающий изучение формы и размеров различных анатомических структур рыб, выявил удивительное сходство между экологическими формами из различных озер. Примечательно, что уровень этого сходства оказался выше, чем обычные межвидовые различия между южной мальмой и ее близкими родственниками.
«Это означает, что в аналогичных озерных системах рыбы эволюционируют по схожему пути, словно природа применяет единый «рецепт» для их развития», — прокомментировала Дарья Паничева.
В дальнейших планах ученых — анализ функционального значения морфологических изменений каждой экологической формы, а также оценка степени сходства их экологических ниш. Долгосрочная перспектива включает проведение полногеномного секвенирования для определения генетических механизмов параллельной дивергенции, выявления ключевых мутаций, отвечающих за схожие фенотипы, и изучения молекулярных основ конвергентной эволюции в географически изолированных популяциях.
Полученные данные сыграют ключевую роль в расширении знаний о механизмах видообразования среди лососевых рыб. Кроме того, исследование значительно пополнит информацию о биоразнообразии водоемов Курильских островов и о процессах формирования экосистем в условиях изоляции.
Данное исследование является частью межведомственной комплексной программы научных работ на Камчатском полуострове и прилегающих территориях на период 2024–2026 годов. Координацию этой программы, в которой участвуют десять научных учреждений, осуществляет КамГУ имени Витуса Беринга.
— Как бы вы простыми словами объяснили суть вашего открытия — появление трех различных форм одного и того же вида рыбы в одном водоеме? И почему это явление имеет такое большое значение для науки?
Представьте это на примере профессиональной деятельности. Когда озеро сформировалось, в нем появились новые экологические `ниши`, похожие на новые профессии на рынке труда. Пока эти `вакансии` остаются свободными, они накапливают ресурсы. В ответ на это часть популяции начинает их осваивать. Изначально рыбы действуют как `универсальные специалисты`, не очень эффективно. Экологическая специализация означает появление особых `навыков` и `инструментов`, которые позволяют более эффективно использовать конкретные ресурсы, своего рода `повышение квалификации`. Со временем такая специализация и закрепление различий могут привести к образованию новых видов. В озере Глухом мы видим три такие специализированные `профессии`: хищник, питающийся молодью нерки; потребитель гаммарусов на мелководье; и собиратель моллюсков на дне. Для науки это важно, потому что дает возможность изучать механизмы видообразования и специализации — фундаментальные эволюционные процессы. У нас есть несколько подобных примеров с разной степенью выраженности различий, что позволяет сравнивать условия среды, доступные ресурсы и влияние человека, чтобы определить ключевые факторы в формировании видов.
— Что, по вашему мнению, стало основной причиной разделения популяции на формы? Была ли это острая конкуренция за еду или скорее освоение различных «экологических ниш» в озере?
Основной причиной стало появление новых экологических ниш. До образования озера на его месте была речная система, которую рыбы использовали для размножения и начального этапа роста. С появлением озера условия существенно изменились, экосистема стала богаче пищей, что способствовало формированию оседлых популяций.
— Озеро Глухое считается относительно молодым. Как быстро, по вашим оценкам, произошел этот процесс диверсификации? Удивляет ли такая скорость эволюционных изменений?
Ситуация с озером Глухим не является чем-то исключительным. Известны еще более молодые примеры подобных диверсификаций в озерах, чей возраст вчетверо меньше. Более точную информацию о темпах этого процесса мы получим после завершения геномного анализа.
— Какие наиболее заметные анатомические отличия, например, в строении челюстей или форме тела, вы заметили у этих форм и как они коррелируют с их диетой?
В первую очередь выделяется строение ротового аппарата. У хищных гольцов рот расположен прямо (конечный), тело вытянутое, а челюсти длинные и очень зубастые, что помогает им эффективно преследовать и хватать добычу. У рыб, питающихся бокоплавами, рот направлен вниз, а губы снабжены мягкими обкладками, позволяющими ощупывать каменистое дно и собирать пищу. У моллюскоядных форм рот напоминает `бульдожью морду`, где длинная нижняя челюсть приспособлена для зачерпывания ила, где обитают моллюски.
— Вы упомянули, что природа использует один и тот же `рецепт`. Насколько поразительно точным оказалось это сходство между формами из разных, изолированных озер?
Параллелизм действительно поразительно точен: географически изолированные озера независимо друг от друга `производят` схожие наборы признаков, идеально подходящие для одинаковых экологических ниш. Абсолютное совпадение встречается редко, ведь локальные условия и история каждого водоема имеют значение, но степень конвергенции очень высока, будто природа снова и снова собирает похожие `конструкторы` из одних и тех же `деталей`.
— Является ли это разделение на формы уже генетически закрепленной особенностью или пока это лишь фенотипическая пластичность — гибкая реакция организма на условия окружающей среды?
Поскольку полногеномный анализ еще не завершен, пока рано говорить о точных генетических различиях. Однако, исходя из нашего предыдущего опыта, мы с высокой степенью уверенности можем утверждать, что эти формы уже являются достаточно самостоятельными.
— Что именно вы рассчитываете узнать благодаря запланированному полногеномному анализу? Ожидаете ли вы обнаружить одинаковые гены, ответственные за схожие черты у форм, обитающих в разных озерах?
Как минимум, мы сможем точно определить уровень генетического обмена между популяциями, а также темпы и продолжительность эволюционных процессов. В идеале мы надеемся не только описать генотипические особенности каждой популяции, но и ответить на вопрос об универсальности эволюционных механизмов на уровне генома. Если будут найдены универсальные гены, отвечающие за схожие адаптации, это откроет новые перспективы для целенаправленной селекции и даже генного редактирования в аквакультуре.
— Делает ли подобная узкая специализация эти формы более уязвимыми к изменениям климата или иным угрозам? И требует ли озеро Глухое особого охранного статуса?
Многие научные коллективы по всему миру активно ищут ответ на этот вопрос. Мы склоняемся к мнению, что прямое или косвенное антропогенное воздействие способно разрушить эту хрупкую систему значительно быстрее, чем глобальные климатические изменения. Популяции в озере уже пережили несколько периодов потеплений и похолоданий и сохранились. Однако уничтожение нерки в бассейне озера Глухого или избыточный вылов гольцов несомненно нарушат баланс пищевых цепей. Учитывая труднодоступность озера и низкий уровень рыболовства в настоящее время, присвоение ему особого охранного статуса пока не требуется. Тем не менее мы продолжим наблюдение за ситуацией и, при необходимости, предпримем соответствующие меры.
— Каким образом это фундаментальное открытие способствует рациональному использованию и сохранению биологических ресурсов Камчатки и Курильских островов?
Остров Парамушир подвержен меньшей антропогенной нагрузке по сравнению с Камчаткой. Следовательно, экосистема озера Глухого может выступать в качестве естественного эталона. Это особенно ценно при оценке долгосрочного воздействия человеческой деятельности на аналогичные экосистемы.
