В отдаленном районе острова Ванкувер в Британской Колумбии глубокие голубые воды озера Кеннеди простираются на 25 квадратных миль. Озеро является домом для трехиглой колюшки, крошечного вида рыб, который предоставил богатый корм для эволюционных исследований.
Эти колюшки процветают как в морской, так и в пресноводной среде обитания и обитают в большинстве внутренних вод, которые усеивают северное побережье Северной Америки, Европы и Азии. Для ученых важно то, что у этого вида есть заметно изменчивая черта, управляемая одним геном: количество костных пластин или «брони» на их телах.
Вариации этого гена у этого крошечного вида рыб могут изменить более широкую водную экосистему, согласно новому исследованию, проведенному исследователем с докторской степенью из Пенсильванского университета Сетом Рудманом. Исследователи обнаружили, что рыбы с большей броней выделяют больше фосфора в воду вокруг себя. Поскольку фосфор является ключевым элементом в водных экосистемах, такая разница может оказывать влияние на микробы, растения и водоросли в пресноводных или морских районах.
«Геномика сыграла огромную роль в продвижении биологических исследований во многих, многих дисциплинах и поддисциплинах», - говорит Рудман, ведущий автор работы, который завершил исследования вместе с коллегами во время учебы в докторантуре Университета штата Нью-Йорк. Британская Колумбия (UBC). «Но то, о чем я больше всего думаю и что является мотивацией для этого исследования, заключается в том, как мы применяем геномику, чтобы помочь нам лучше понять экосистемы? в отдельных генах может иметь последствия для экологии."
Команда использовала новые методы для оценки того, как эволюция влияет на элементный состав отдельных рыб, по существу рассматривая организмы как мешок атомов - углерод, кальций, стронций и тому подобное. То, что они обнаружили, показало, что эволюция не только изменила элементный состав морских рыб по сравнению с их пресноводными собратьями, но также повлияла на их способность поглощать элементы из окружающей среды.
«Я думаю, что тот факт, что эволюция действительно повлияла на движение ионов этих рыб, удивителен», - говорит Рудман о работе, опубликованной в журнале Ecology Letters.
Как правило, у колюшки в морских водах больше пластин, а у колюшки в пресной воде меньше. Но популяция колюшки озера Кеннеди необычна тем, что имеет стабильные популяции как «низкопластинчатых», так и «высокопластичных» рыб, черты, определяемые геном Eda, что делает его идеальным местом для изучения.
Когда Рудман и его коллеги собрали в озере оба вида рыб и поместили их в фильтрованную воду, они обнаружили, что рыба с высокими пластинами выделяет больше фосфора по сравнению с рыбами с низкими пластинами. Используя методы, чаще всего связанные с токсикологическими исследованиями, для отслеживания радиоизотопов, они также обнаружили, что рыба с высоким покрытием поглощает больше кальция.
Это открытие предполагает, что версия гена Eda, которым обладает рыба, влияет на то, как она взаимодействует с окружающей средой, потенциально вызывая последствия для всей экосистемы.
Во второй части исследования Рудман и соавторы изучили рыбу в других районах Британской Колумбии, собирая ее либо в морской среде, где рыба, как правило, более покрыта металлом, либо в пресноводной среде, связанной с низким покрытием. искать признаки того, что популяции адаптировались к местной среде, и экологические последствия этих изменений. Для этого исследователи изучили химический состав рыбы.
«Я думаю, что одним из новых компонентов этой статьи является то, что мы можем думать об этих организмах как о химическом коктейле, - говорит Рудман, - и когда мы это делаем, мы можем явно связать изменения в их к изменениям в том, как они взаимодействуют с окружающей средой».
Выловленные в дикой природе морские и пресноводные рыбы значительно различаются по своему так называемому «ионому», составу содержащихся в них элементов, как обнаружила команда. Эти различия сохранялись даже тогда, когда морскую рыбу выращивали в пресной воде, а пресноводную - в соленой.
Однако рыба также показала признаки адаптации к новым условиям.
«Мы обнаружили, что когда морских рыб помещали в пресную воду, их способность усваивать фосфор увеличивалась», - говорит Рудман. «Это имеет большой смысл, потому что фосфор действительно является ограничивающим элементом в пресноводных системах».
В совокупности исследование указывает на редкий случай, когда ученым удалось связать генетическое различие с физическим признаком, а затем связать этот признак с потенциальным эффектом экосистемы, поскольку другие организмы могли использовать элементы, рыба выдавливает или берет вверх. Рудман также отмечает, что результаты показывают, насколько быстро могут происходить эволюционные изменения, влияющие на эти экологические эффекты.
«Дарвин сказал, что эволюция происходит медленно, в течение тысячелетий, а экология происходит сегодня у нас на заднем дворе», - говорит Рудман. «Но это неправда. Эволюция во многих системах происходит быстро, за лето для плодовой мухи или за десятилетие для колюшки».
Быстрая эволюция, особенность изменяющихся условий, подобных тем, которые мы наблюдаем сегодня, будет иметь экологические последствия, добавляет он, и может однажды помочь ученым предсказать, как виды будут реагировать на грядущие вызовы.
«Это представляет собой способ, которым эволюция и экология могут быть очень тесно связаны в определении судьбы популяций и видов в будущих условиях», - говорит Рудман.