Де жив пінгвиній прадідусь? Геноми пінгвінів проливають світло на їхню еволюцію

Навчання 31 липня 2024

Субантарктичні пінгвіни.

Вам може бути цікаво:

Еволюція пінгвінів протягом багатьох років була предметом суперечок орнітологів. Де і коли жив спільний предок цього різноманітного і успішного сімейства? Схоже, генетикам вдалося нарешті розібратися в цьому питанні, для чого знадобилося секвенувати геноми 18 видів пінгвінів. Виявляється, пінгвіни схожі на людей не тільки своєю вертикальною позою, але й тим, що протягом своєї еволюції різні види цих нелітаючих птахів неодноразово схрещувалися. Втім, кого зараз цим здивуєш?

Ми звикли уявляти собі пінгвінів на льоду, але в реальності ці кумедні створення завоювали не тільки серця публіки, але і широкий спектр кліматичних зон, від узбережжя Антарктиди (температура води може бути нижче 0!) до Галапагоських островів біля Екватора (середня температура води більше 27 градусів). Втім, все ж пінгвіни віддають перевагу прохолодній воді, і їх прародиною багато хто вважав антарктичні береги, звідки пінгвіньє плем'я пізніше розселилося по південній півкулі. Альтернативна гіпотеза поміщала предків цих морських мешканців у субантарктичні помірні широти. Хто ж правий? Дослідження генетиків давали суперечливі результати, ймовірно, через те, що ґрунтувалися на невеликій кількості даних. Невизначеним залишався і час, коли останній загальний предок дав початок гілковому дереву пінгвінього сімейства: за різними оцінками, від 10 до 47 млн років тому.

Нарешті розібратися в заплутаній генеології пінгвінів вирішила група дослідників, які секвенували геноми 22 особин, що відносяться до 18 видів. Результати опубліковані в журналі PNAS.

Як пишуть автори, деякі зразки для дослідження виявилося непросто роздобути. Наприклад, тканини жовтоокого, великого хохлатого і толстоклювого пінгвінів довелося брати в музеях - живі птахи цих видів у неволі дуже рідкісні. Геноми прочитали з високим покриттям (кожен нуклеотид був прочитаний 30 разів) і «зібрали», використовуючи як еталон ДНК імператорського пінгвіна - найбільшого представника сімейства. Отримані дані співвіднесли з палеонтологічними знахідками копалин пінгвінів.

Що ж вийшло? По-перше, перемогла «помірна» версія: виходячи з родинних зв'язків і ареалів сучасних пінгвінів, їхня найімовірніша прародина перебувала не в Антарктиді, а біля берегів Австралії, Нової Зеландії або островів південної частини Тихого океану. Вже потім пінгвіни розселялися все ближче і ближче до полюса. Вдалося визначити і дату початку великого розселення пінгвінів - 22 млн років тому. Хто ж першим відправився освоювати незвідані простори Антарктики, багаті харчовими ресурсами? Ймовірно, це були представники роду Aptenodytes - імператорський і королівський пінгвіни. Судячи з усього, ця група птахів рано і дуже швидко відокремилася від пінгвінього «ствола» - генетики розглядають Aptenodytes як сестринську поклажу по відношенню до інших видів сімейства. Автори зазначають, що такий результат узгоджується і з даними палеонтологів.

Інші представники пінгвінів стали активно розселятися по Південній півкулі близько 12 млн років тому. Дослідники вважають, що цьому процесу сприяла протока Дрейка між Антарктидою і південною віконечністю Південної Америки, яка відкрилася в цей час. У результаті посилилася Антарктична циркумполярна течія (АЦТ), що огинає Земну кулю із заходу на схід, пов'язуючи субантарктичні острови. В цей же час змінювався клімат: температура води в Південному океані впала на 6 - 7 градусів. Ймовірно, частина видів, що населяли Антарктику, вимерла, звільнивши ніші для пінгвінів. Разом з течією, наші чорно-білі симпатяжки рухалися із заходу на схід. Вони заселяли острови і узбережжя, багата рибою вода біля яких так вабила. Протягом останнього льодовикового періоду морські льоди в південній півкулі поширилися до 40-ї широти, досягнувши берегів Південної Америки. Це дозволило пінгвінам, які віддають перевагу холодній воді, проникнути в субтропіки. Подальшій експансії цих птахів на Галапагоси і до берегів Південної Африки сприяли несучі води на північ Бенгельська течія і течія Гумбольта. На жаль, ці водні потоки не перетинають екватор. Дослідники вважають, що саме тому, а також через любов до холодної води пінгвінам не вдалося проникнути в Північну півкулю. Еволюційна історія пінгвінів. Гіпотеза походження видів пінгвінів і оцінки часу дивергенції. Червоні стрілки позначають чотири точки калібрування копалин. Кожен вузол представлений передковим розподілом до події кладогенезу з використанням реконструкції предкового ареалу на основі найбільш підходящої моделі і пов'язаний з одним або кількома з 10 географічних розташувань, зображених на карті в правому нижньому куті (букви від A до J і колірні коди); області на кінцях гілок представляють поточний ареал виду. Температура Південного океану в минулому представлена білим графіком за філогенетичним древом); початок посилення АЦТ позначено вертикальною пунктирною червоною лінією). (Вгорі справа) нерівність екологічних ніш у часі для пінгвінів, з філогенією, спроектованою на простір параметрів ніші по осі y (максимальна температура води біля поверхні) з прогнозованою зайнятістю ніші в часі (вісь x), реконструйованої для внутрішніх вузлів. (Клацніть за малюнком, щоб збільшити).

Дослідження показало, що безглузді пінгвіни охоче ділилися своїми генами з представниками інших видів сімейства. Наприклад, у різних видів хохлатих пінгвінів в результаті змішання виявилося від 17 до 23% загальної ДНК. Великі хохлаті і королівські пінгвіни мають 25% «загальних генів» і так далі. Взагалі хохлаті пінгвіни виявилися найбільш змішаними - на їх частку припало не менше 4 випадків гібридизації. Цікаво, що напрямок багатьох інтрогресій відповідає Антарктичній течії - «за годинниковою стрілкою».

Постаралися дослідники з'ясувати і те, які генетичні адаптації дозволили пінгвінам пристосуватися до різноманітних умов, в які їх в буквальному сенсі занесло водами океану. Генетики виявили понад 100 генів, на які в процесі пінгвіньей еволюції впливав природний відбір. Ці гени розділилися на два кластери: в один входили ті, що відповідають за широкий спектр клітинних функцій, а в другій - впливають на такі властивості, як імунітет, нюх, осморегуляцію (баланс солей і рідини) і терморегуляцію, а також серцево-судинну діяльність (кров'яний тиск, метаболізм кисню тощо). Всі ці властивості важливі при тривалому зануренні у воду і для підтримки постійної температури тіла. Актуально для імператорських пінгвінів, які чудово проводять час при _ 40 і плещуться у воді з температурою ‑ 1,8 градусів. Галапагоські пінгвіни, навпаки, можуть відчувати на собі спеку до + 40. Регуляція кров'яного тиску шляхом звуження судин дозволяє економити кисень при тривалих пірках. Тут рекордсмени імператорський і королівський пінгвіни - обидва можуть пірнати на глибину більш ніж 300 метрів, перший проводить під водою до 22, другий - до 8 хвилин. Дрібніші види пінгвінів не такі круті в дайвінгу, пірнаючи лише на 1 - 2 хвилини. З цим, ймовірно, пов'язані помітні несинонімічні відмінності в гені міоглобіну (кисневозв'язуючого білка) між різними родами пінгвінів. А завдяки ефективній осморегуляції ці морські птахи пристосувалися до надзвичайно солоної води океану.

А як змінювалася чисельність пінгвінів? Генетичний аналіз показав, що більшість видів цього сімейства надзвичайно розмножилися під час сильного похолодання 40 - 70 тис. років тому. Чисельність деяких видів зростала і в попередній льодовиковий період близько 140 тис. років тому. Пінгвіни - великі любителі спарюватися на льоду! З початком потепління чисельність ряду видів почала падати. Від підвищення температури дуже страждають субантарктичний і галапагоський пінгвіни. Очкові пінгвіни під час шлюбного сезону.

Забавні пінгвінчики змогли досягти успіху і на антарктичному узбережжі, і на теплих Галапагосах. Але не варто забувати, що адаптації до різних кліматичних зон не відбуваються миттєво. Безпрецедентно швидке зростання температури, викликане діяльністю людини, перевершує пінгвіньї можливості. Багато популяцій пінгвінів знаходяться зараз під загрозою вимирання. Це відносяться і до імператорських пінгвінів: через скорочення площі антарктичних льодів ці найбільші птахи змушені змінювати місця проживання. Інший вид, що живе в Антарктиці, - пінгвін Аделі - небезпечно зріс. Від небувалої спеки страждають пінгвіни Галапагоссів і Південної Африки, а в Новій Зеландії малий і жовтоокий пінгвіни, на додачу, гинуть в кігтях здичавілих кішок. Пінгвіни пережили безліч кліматичних пертурбацій, але цей рукотворний катаклізм може виявитися останнім для них. Чи допоможе нове дослідження зберегти кумедних «чоловічків у смокінгах»? Дослідники дуже сподіваються якось вплинути на ситуацію. Зараз у авторів статті в руках геноми вже 300 пінгвінів. Вчені повідомляють, що аналіз цього масиву даних дозволив виявити невідому раніше популяцію або навіть новий вид, який чекає наукового опису.