От четырехфутового императорского пингвина до метко названного маленького пингвина длиной в фут, эти уникальные нелетающие птицы вторглись в места обитания от Антарктиды до экватора, не говоря уже о сердцах публики.
Сравнение полных геномов 18 признанных видов пингвинов дает ключ к пониманию того, как они добились такого успеха, хотя и не своей прелести, на протяжении десятков миллионов лет, в условиях теплых и холодных климатических колебаний. Он также предупреждает, что сегодняшние быстро меняющиеся климатические условия могут оказаться для них непосильными.
"Мы можем показать, как пингвины смогли диверсифицироваться, чтобы жить в невероятно разных температурных условиях, в которых они живут сегодня, от 9 градусов по Цельсию (48 F) в водах вокруг Австралии и Новой Зеландии до отрицательные температуры в Антарктиде и до 26 градусов (79 F) на Галапагосских островах», - сказал Раури Боуи, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли и куратор Музея зоологии позвоночных (MVZ) в Беркли. «Но мы хотим подчеркнуть, что пингвинам потребовались миллионы лет, чтобы занять такие разнообразные места обитания, и с той скоростью, с которой океаны нагреваются, пингвины не смогут адаптироваться достаточно быстро, чтобы не отставать от них. изменение климата."
Исследователи убедительно установили, что пингвины возникли в прохладных прибрежных районах Австралии и Новой Зеландии, а не в холодной Антарктиде, как думали многие ученые, и определили происхождение пингвинов примерно 22 миллиона лет назад.
Несмотря на их успешное распространение в Южном полушарии, многие популяции пингвинов в настоящее время находятся под угрозой. Гнездящиеся колонии императорских пингвинов в Антарктиде были вынуждены переехать из-за отступления морского льда, а в прошлом году на континенте наблюдалась массовая гибель птенцов пингвинов Адели. Популяции галапагосских пингвинов сокращаются, так как теплые явления Эль-Ниньо становятся более частыми. В Новой Зеландии популяции маленьких и желтоглазых пингвинов должны быть ограждены, чтобы защитить их от хищничества диких кошек, в то время как популяции африканских пингвинов резко сокращаются по мере того, как воды на юге Африки становятся теплее.
«На протяжении миллионов лет мы видели, что разнообразие пингвинов уменьшалось с повышением температуры, но это происходило в долгосрочной перспективе», - сказала Джулиана Вианна, доцент кафедры экосистем и окружающей среды в Папском католическом университете Чили. в Сантьяго. «Сейчас изменения климата и окружающей среды происходят слишком быстро, чтобы некоторые виды могли реагировать на изменение климата."
Вианна является первым автором статьи с Боуи и другими коллегами, описывающей их открытия, которые будут опубликованы онлайн на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Откуда взялись пингвины?
Для исследования Вианна, Боуи и их коллеги из музеев и университетов по всему миру собрали образцы крови и тканей 22 пингвинов, представляющих 18 видов, а затем секвенировали и проанализировали их полные геномы, чтобы составить схему движения и разнообразия пингвинов на протяжении тысячелетий.
Их выводы разрешают несколько давних вопросов: в частности, где возникли пингвины - вдоль побережья Австралии, Новой Зеландии и близлежащих островов южной части Тихого океана - и когда - 22 миллиона лет назад. Генетические данные указывают на то, что предки королевского и императорского пингвинов, двух самых крупных видов, вскоре отделились от других пингвинов и переселились в субантарктические и антарктические воды соответственно, предположительно, чтобы воспользоваться обильными пищевыми ресурсами. Этот сценарий согласуется с оспариваемой гипотезой о том, что императорский и королевский пингвины - единственные два вида в роде Aptenodytes - являются сестринской группой по отношению ко всем другим линиям пингвинов.
"Было очень приятно иметь возможность решить филогению, которая обсуждалась в течение долгого времени", - сказал Боуи. «Спор зависел от того, где именно императорский и королевский пингвины были помещены в генеалогическое древо, гнездятся ли они внутри дерева ближе к другим линиям пингвинов или являются ли они сестрами всех других пингвинов, что и является нашей филогении. показали и некоторые другие предыдущие исследования. И это согласуется с богатой ископаемой историей пингвинов».
Другие пингвины диверсифицировались и широко расселились по южным океанам после того, как около 12 миллионов лет назад полностью открылся пролив Дрейка между Антарктидой и южной оконечностью Южной Америки. Открытие вызвало движение Антарктического циркумполярного течения, движущегося по часовой стрелке, что позволило этим нелетающим птицам плавать с океанскими течениями по всему Южному океану, заселяя как холодные субантарктические острова, так и более теплые прибрежные районы Южной Америки и Африки, где они заселили береговые линии. и отдаленные острова с холодной, апвеллинговой, богатой питательными веществами водой.
Сегодня пингвины водятся в Австралии и Новой Зеландии (желтоглазый, малый и другие хохлатые пингвины), Антарктиде (императорский, Адели, папуасский и антарктический), тропическом западном побережье Южной Америки (Галапагосские острова и Гумбольдт), южные побережья Южной Америки (Магелланов и южный рокхоппер), Южной Атлантики (Магелланов и Макарони), юг Африки (Африканский) и некоторые в субантарктических (Кинг, Дженту и Макарони), островах Индийского океана (восточный рокхоппер) и субтропические регионы (северный рокхоппер).
Используя мощные методы анализа, некоторые из которых были разработаны недавно для анализа исторических взаимодействий между людьми и нашими неандертальскими и денисовскими родственниками, исследователи смогли определить, что несколько групп пингвинов скрещивались в ходе своей эволюционной истории. Благодаря обмену генетическим материалом пингвины могли иметь общие генетические черты, которые способствовали диверсификации пингвинов в условиях крутых температурных и соленых градиентов, встречающихся в южных океанах. Наиболее гибридизированными являются пингвины-рокхоппер и их близкие родственники, которые испытали по крайней мере четыре интрогрессии, или передачи генетической информации, в течение миллионов лет..
Команда также определила генетическую адаптацию, которая позволила пингвинам процветать в новых и сложных условиях, включая изменения в генах, отвечающих за регулирование температуры тела, что позволило им адаптироваться к отрицательным температурам Антарктики, а также к тропическим температурам вблизи экватора.; потребление кислорода, позволяющее совершать более глубокие погружения; и осморегуляция, чтобы они могли выжить в морской воде без необходимости искать пресную воду.
Новые аналитические инструменты помогли исследователям сделать вывод о размерах древних популяций пингвинов, существовавших примерно 1 миллион лет назад. Они обнаружили, что большинство видов пингвинов увеличилось до своей наибольшей численности, когда мир похолодал 40 000-70 000 лет назад во время последнего оледенения - многие виды предпочитают размножаться на снегу и льду - а у некоторых наблюдался всплеск популяции во время предыдущего оледенения. ледниковый период 140 000 лет назад.
Два вида - папуа и галапагосские - похоже, сокращаются в популяциях, по крайней мере, в течение последнего миллиона лет.
ДНК самых изолированных птиц на Земле
Вианна имеет долгосрочные исследовательские проекты по пингвинам в Чили и Антарктиде и для этого исследования получила образцы крови многих видов в этих районах. Коллеги из Франции, Норвегии, Бразилии, Австралии, Соединенных Штатов и Южной Африки предоставили кровь некоторых отдаленных видов - например, норвежские коллеги предоставили кровь антарктического пингвина с островов Буве, а Вианна и Боуи получили образцы крови африканского пингвина. в колонии Калифорнийской академии наук в Сан-Франциско.
Но некоторые виды обнаружить было сложнее. Исследователи были вынуждены полагаться на ткани сохранившегося экземпляра желтоглазого пингвина из MVZ Калифорнийского университета в Беркли, в то время как Американский музей естественной истории в Нью-Йорке предоставил ткани сохранившихся прямохохлых пингвинов и пингвинов Фьордленда.
Каждый геном был секвенирован 30 раз методом дробовика Illumina, в результате которого были получены крошечные фрагменты всего генома длиной около 150 пар оснований. Вианна, которая в то время работала с Боуи в Калифорнийском университете в Беркли в творческом отпуске, кропотливо выравнивала каждую часть по эталонному геному, который ранее был секвенирован - геному императорского пингвина - в качестве каркаса..
«Иметь эталонный геном - это все равно, что использовать крышку коробки с пазлами, чтобы собрать пазл: вы можете взять все свои очень маленькие кусочки и сопоставить их с этим эталонным геномом», - сказал Боуи. «Мы сделали это с каждым из этих геномов пингвинов».
Сравнения геномов показали им, что пингвины возникли между 21 и 22 миллионами лет назад, сужая диапазон от 10 до 40 миллионов лет, определенный ранее для ископаемых пингвинов.
Они также опровергли статью, опубликованную в прошлом году, в которой предполагалось, что близкородственные королевские и императорские пингвины были сестринской группой папуасских пингвинов и пингвинов Адели. Вместо этого они обнаружили, что королевский и императорский пингвины являются сестринской группой по отношению ко всем остальным пингвинам.
Вианна и Боуи теперь имеют последовательности геномов 300 отдельных пингвинов и более глубоко изучают генетические вариации внутри и среди разрозненных популяций пингвинов. Недавно они обнаружили новую линию пингвинов, которая ожидает научного описания.
"Пингвины, безусловно, очень харизматичны", - сказала Вианна. «Но я надеюсь, что эти исследования также приведут к улучшению сохранения».
Работа выполнена при поддержке Чилийского антарктического института, проекта Fondecyt, GAB PIA CONICYT (ACT172065) и Национального научного фонда США (DEB-1441652). Среди соавторов статьи - Ке Би и Синтия Ван-Клейпул из Калифорнийского университета в Беркли и Дейли Нолл из Папского католического университета Чили.