Биолог из Мичиганского университета объединил методы «экологии воскрешения» с изучением датированных озерных отложений, чтобы изучить эволюционную реакцию на загрязнение тяжелыми металлами за последние 75 лет.
Для этого Мэри Рогальски вылупила долго спящие яйца дафний, крошечных пресноводных ракообразных, также известных как водяные блохи, которые со временем накапливались в озерных отложениях.
После выращивания тварей в лаборатории она подвергла их воздействию двух тяжелых металлов в разных концентрациях, чтобы увидеть, как со временем менялась их чувствительность к загрязнителям окружающей среды. Удивительно, но она обнаружила, что чувствительность к меди и кадмию повышалась по мере повышения уровня этих токсичных металлов в изученных ею озерах.
"Эти результаты неожиданны, потому что эволюционная теория предсказывает, что популяция должна быстро адаптироваться к такому стрессовому фактору и стать менее чувствительной к нему, а не более чувствительной к нему. Трудно объяснить результаты этого исследования", - сказал Рогальский, научный сотрудник Департамента экологии и эволюционной биологии Университета штата Массачусетс.
В одном из озер дафнии, вылупившиеся из отложений, датируемых примерно 1990 годом, когда загрязнение медью достигло своего пика, были на 46 процентов более чувствительны к воздействию меди, чем особи из 1940-х годов, периода с более низким уровнем загрязнения медью..
Рогальски сообщает о своем открытии в исследовании, опубликованном в Интернете 16 февраля в журнале The American Naturalist. Исследование было частью ее диссертационной работы в Школе лесного хозяйства и экологических исследований Йельского университета и включало полевые работы на трех озерах Коннектикута.
Аквалангисты собрали со дна озера керны отложений диаметром 5 дюймов. Затем Рогальский оценил возраст отложений на основе присутствия радиоактивных материалов и измерил концентрации меди и кадмия в слоях до конца 1800-х годов.
Загрязнение озер медью произошло в основном из-за ежегодного применения сульфата меди для борьбы с вредными водорослями. Кадмий, вероятно, появился в результате промышленного и сельскохозяйственного развития региона за последнее столетие.
В лаборатории Рогальский изолировал спящие или «диапаузирующие» яйца Daphnia ambigua из различных датированных слоев отложений, затем вылупил их и вырастил. Она измерила изменяющуюся чувствительность дафний к меди и кадмию, подвергая их воздействию различных концентраций металлов в стеклянных колбах и определяя среднюю смертельную концентрацию..
В одном из озер Коннектикута, где загрязнение медью в последнее время уменьшилось, она обнаружила, что дафнии остаются чувствительными к металлу через 30 лет после пикового воздействия. Взрослая дафния размером с очень крупную песчинку.
«Трудно понять, какие механизмы движут этим эволюционным паттерном», - сказал Рогальский. «Тем не менее, это исследование показывает, что нам нужно сделать больше, чтобы раскрыть как движущие силы, так и последствия дезадаптации в природе».
Палеолимнология - это изучение древних озер по их отложениям и окаменелостям. Раздел экспериментальной палеолимнологии, который Рогальский использовал в этом исследовании, был назван его практиками «экологией воскрешения».
Человеческая деятельность может вызвать сильные и быстрые эволюционные изменения в популяциях диких животных. Эти эволюционные реакции часто позволяют популяции лучше справляться с новыми условиями окружающей среды, процесс, называемый адаптацией посредством естественного отбора.
Например, новый пестицид может убить подавляющее большинство насекомых, на которых он нацелен. Но выжившие могут дать начало популяции вредителей, устойчивых к химическому веществу.
Но некоторым группам населения не удается адаптироваться к изменяющимся условиям или они могут оказаться в худшем положении, чем они были до этого, явление, известное как дезадаптация.
Дезадаптивные исходы встречаются реже, чем адаптивные, и менее изучены. Во многих случаях невозможно изучить реакцию населения на стрессор во временных масштабах нескольких поколений без проведения долгосрочного исследования, на завершение которого могут уйти десятилетия.
Ракообразные дафнии с их диапаузирующими яйцами представляют собой своего рода машину времени, позволяющую исследователям изучать долгосрочные эволюционные реакции на стрессовые факторы окружающей среды путем возрождения и выращивания спящих организмов, попавших в ловушку на дне озера.
«Дафния предлагает систему, в которой возможно изучение исторических эволюционных траекторий», - написал Рогальский в «Американском натуралисте». «Выведение диапаузирующих яиц из датированных озерных отложений и культивирование клональных линий в лаборатории позволяет нам изучить, как популяции меняются во времени, и генетическую основу, лежащую в основе этих изменений."