Озеро Малави в Африке является домом для сотен видов цихлид, пресноводных рыб, чья широкая цветовая гамма делает их популярными обитателями домашних аквариумов. Новое исследование показывает, как драматические изменения окружающей среды в течение истории озера, вероятно, привели к этому ослепительному эволюционному разнообразию.
Исследование показало, что за последние 800 000 лет фазы глубокой и чистой воды в озере Малави чередовались с фазами мелководья и мутной воды. Время самых продолжительных глубоких фаз совпадает со взрывами разнообразия цихлид, которые происходили в истории озера.
«Время постоянных глубоководных фаз согласуется с тем, что биологи-эволюционисты предложили как периоды быстрой диверсификации видов цихлид», - сказала Сара Айвори, научный сотрудник Брауновского университета и ведущий автор исследования. «Мы считаем, что глубокие фазы создали новые места обитания на береговой линии для адаптации рыб, а также подходящие условия для ассортативного спаривания, что может способствовать разнообразию видов».
Исследование, которое Айвори создал в соавторстве с исследователями из Университета Аризоны, Университета Род-Айленда, Университета Кентукки и корпорации BP, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Озеро Малави простирается примерно на 350 миль в узком бассейне, граничащем с Малави, Мозамбиком и Танзанией в восточной Африке. Разнообразие озерных цихлид, таких как дарвиновские галапагосские вьюрки, является классическим примером «адаптивной радиации» - быстрой диверсификации видов по мере того, как они приспосабливаются к экологическим нишам.
«Цихлиды - отличная модельная система для изучения этих эволюционных процессов», - сказал Айвори, ученый-эколог из Брауновского института окружающей среды и общества. «В озере обитает около 800 видов, так что это идеальная лаборатория для изучения того, как развивается разнообразие».
Эволюционные биологи секвенировали геномы нескольких видов цихлид. Используя метод «молекулярных часов», биологи могут пролить свет на то, когда виды расходились во времени. Эта работа предполагает, что цихлиды озера Малави диверсифицировались скачкообразно, причем несколько отчетливых всплесков диверсификации начались около 750 000 лет назад..
Это новое исследование помещает эту эволюционную историю в экологический контекст.
Используя керны отложений, собранные со дна озера, Айвори и ее коллеги собрали экологическую историю озера за последние 1,2 миллиона лет. Керны отложений содержат окаменелых водных животных и пыльцу растений, а также важную минералогическую информацию. Изменения в комплексах окаменелостей и минеральных индикаторах в кернах дают представление о том, как условия окружающей среды - уровень воды в озере, соленость и другие характеристики - меняются во времени.
Исследование показало, что в период от 1,2 миллиона до 800 000 лет назад озеро Малави было мелководным и болотистым. Но примерно 800 000 лет назад все резко изменилось. Озеро углубилось почти до нынешней 700-метровой глубины, а его воды стали гораздо более чувствительными к большим колебаниям климата. Исследователи считают, что этот сдвиг, вероятно, был вызван тектоническим событием, которое перекрыло выход реки из озера, позволив бассейну наполниться.
После этого тектонического сдвига окружающая среда озера стала намного менее стабильной. Исследование показало, что за последние 800 000 лет в озере чередовались «голубые фазы», отмеченные глубокой чистой водой, и «зеленые фазы», отмеченные мелководьем, заполненным водорослями. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что были продолжительные синие фазы - каждая продолжительностью около 100 000 лет - которые происходили 800 000 и 400 000 лет назад, наряду с одной, начавшейся 70 000 лет назад, которая продолжается и сегодня. Между этими длительными синими фазами озеро быстро меняло зеленую и синюю фазы примерно каждые 20 000 лет.
Время длительных синих фаз хорошо совпадает с данными молекулярных часов, которые предполагают события диверсификации около 750 000, 400, 000 и 70 000 лет назад. В совокупности результаты показывают, что синие фазы создали правильные условия для диверсификации.
Углубление воды могло создать новые места обитания на каменистой береговой линии, к которым виды могут адаптироваться, говорит Айвори. Чистая вода также могла позволить рыбам использовать визуальные подсказки при выборе партнера, что могло бы стимулировать эволюцию цветовых узоров у видов цихлид. Напротив, во время зеленых фаз места обитания на дне озера будут плоскими и песчаными, без каменистых ниш. Мутная вода ограничит использование визуальных сигналов при спаривании.
«Мутность воды и отсутствие разнообразных сред во время зеленых фаз способствуют гибридизации, а не диверсификации», - сказал Айвори. «В эти периоды мы также ожидаем вымирания».
Но это не значит, что зеленые фазы не имеют эволюционного значения. Исследователи предполагают, что межпородное скрещивание во время зеленых фаз могло привести к появлению новых гибридных признаков, которые затем подвергались отбору во время голубых фаз. Таким образом, зеленые фазы имеют решающее значение для «заправки насоса» разнообразия, говорят исследователи.
Айвори говорит, что предыдущие исследования обнаружили связь между самым последним событием диверсификации и началом текущей голубой фазы около 70 000 лет назад. Но это первый раз, когда исследователи показали, что картина повторялась несколько раз в истории озера.
«Повторение этого паттерна было действительно интересно наблюдать», - сказала она. «Связывание эволюционных процессов с изменением окружающей среды во времени действительно важно для понимания разнообразия цихлид, которое мы наблюдаем сегодня».