Охлаждение Южного океана, окружающего Антарктиду, начавшееся примерно 35 миллионов лет назад и приведшее к его нынешнему ледяному состоянию, на протяжении десятилетий считается классическим примером изменения климата, вызывающего быструю адаптацию.
Используя десятки тысяч генов, картированных из геномов группы антарктических рыб, называемых нототениоидами, группа исследователей теперь бросает вызов этой парадигме, обнаруживая, что огромное количество генетических изменений, необходимых для жизни в Антарктике, произошло задолго до того, как Антарктика остыла.
Эти генетические изменения не только имеют важное значение для понимания эволюции необычных животных Антарктиды, но также подчеркивают, что некоторые ключевые адаптации, используемые рыбами, отражают генетику заболеваний костей человека, таких как остеопороз.
«Многие виды развили черты, которые адаптивны к окружающей среде, но похожи на болезненные состояния у людей», - говорит Джейк Даан, ведущий автор исследования (Северо-восточный университет). «Мы используем эти естественные вариации, чтобы лучше понять генетические механизмы болезней».
Команда обнаружила доказательства увеличения частоты мутаций в ходе эволюции антарктических рыб до появления ледяных вод в Южном океане, что соответствовало резкому снижению минеральной плотности костей.
«Антарктические нототениоиды не имеют плавательных пузырей, чтобы регулировать свою плавучесть в толще воды. Скорее, они используют уменьшение плотности костей, чтобы помочь им «плавать» в толще воды с низкими энергетическими затратами», - говорит коллега. автор Билл Детрич (соавтор, Северо-восточный университет).«То, что у нас является генетическим заболеванием, у этих рыб является средством выживания».
«Обнаруженные нами генетические изменения являются серьезно патологическими у людей, включая те, которые считались несовместимыми с жизнью», - добавил Алекс Дорнбург (соавтор, Музей естественных наук Северной Каролины). «Обнаружение того, что нототениоиды используют одни и те же генетические пути для достижения плавучести в воде, открывает огромные возможности для исследований здоровья человека».
Чтобы проверить функцию выявленных генетических изменений, команда использовала достижения в редактировании генов для создания генетически модифицированных эмбрионов рыбок данио с теми же мутациями, что и у антарктических нототениоидов. По мере роста этих рыбок данио у них наблюдалась такая же потеря костей, как и у антарктических видов.
«Наше исследование показывает, что антарктические нототениоиды являются важными моделями болезней человека. Помимо низкой плотности костей, у антарктических рыб также развились другие явно патологические состояния, включая потерю почечных клубочков и эритроцитов», - говорит Мэтью Харрис (соавтор, Бостонская детская больница и Гарвардская медицинская школа).
Харрис добавил: «Эти важные с биомедицинской точки зрения процессы могут быть изучены, чтобы выявить генетические механизмы, лежащие в основе этих «болезненных» состояний и их адаптации у этих рыб. Результаты должны привести к более глубокому пониманию того, как мы можем лечить сопоставимые расстройства у рыб. люди."
Вместо того, чтобы развивать эти необычные приспособления перед лицом серьезных экологических потрясений, команда обнаружила, что большая часть этих генетических вариаций уже существовала до того, как Антарктика остыла. Это открытие бросает вызов тому, как мы рассматриваем адаптацию в сравнении с постоянным генетическим разнообразием, чтобы предсказать реакцию современного населения на современное изменение климата.
Антарктические нототениоиды оказались в нужном месте в нужное время, чтобы извлечь выгоду из перехода к ледяной Антарктике миллионы лет назад. Однако их будущее туманно.
«Нототениоиды имеют большое экологическое, экономическое и медицинское значение, однако многие виды не могут переносить потепление более чем на несколько градусов», - говорит Томас Нир (соавтор, Йельский университет).«По иронии судьбы, прогнозы изменения климата теперь предупреждают, что это уникальное излучение рыб может быть уничтожено в течение следующего столетия. Мы должны предотвратить такую трагическую потерю».