В отдаленном районе острова Ванкувер в Британской Колумбии глубокие голубые воды озера Кеннеди простираются на 25 квадратных миль. Озеро является домом для трёх колючек, крошечного вида рыб, который обеспечил богатый корм для эволюционных исследований.
Эти колючки процветают как в морских, так и в пресноводных средах обитания и существуют в большинстве внутренних вод, которые усеивают северные побережья Северной Америки, Европы и Азии. Важный для ученых, этот вид обладает заметно изменчивым признаком, управляемым одним геном : количеством костного покрытия или «бронированием» на их телах.
Изменения в этом гене у этих крошечных видов рыб могут изменить более широкую водную экосистему, согласно новому исследованию, проведенному постдокторантом Пенсильванского университета Сетом Рудманом. Исследователи обнаружили, что рыба с большим количеством защиты выделяет в воду больше фосфора. Поскольку фосфор является таким ключевым элементом в водных экосистемах, такое различие может оказывать влияние на микробы, растения и водоросли в пресноводных или морских районах .
«Геномика сыграла столь большую роль в развитии биологических исследований во многих, многих дисциплинах и подразделениях», — говорит Рудман, ведущий автор работы, который завершил исследования с коллегами во время обучения в докторантуре в Университете Британской Колумбии (UBC). , «Но больше всего я думаю о мотивации этого исследования и о том, как мы применяем геномику, чтобы помочь нам лучше понять экосистемы? В каком-то смысле я рассматриваю эту работу как подтверждение концепции того, что существуют сценарии, в которых изменения в отдельных генах может оказывать влияние на экологию «.
Команда использовала новые методы, чтобы оценить, как эволюция влияет на элементную структуру отдельных рыб, по существу рассматривая организмы как мешок атомов — углерода, кальция, стронция и тому подобное. То, что они обнаружили, указывало на то, что эволюция действовала не только для дифференциации элементного состава морских рыб по сравнению с их пресноводными аналогами, но также влияла на их способность извлекать элементы из окружающей среды.
«Я думаю, что тот факт, что эволюция действительно повлияла на движение ионов для этих рыб, удивителен», — говорит Рудман о работе, опубликованной в журнале Ecology Letters .
Как правило, колючки в морских водах имеют большее покрытие, в то время как колюшки в пресной воде имеют меньше. Но популяция Кленнеди Лейка необычна тем, что имеет стабильные популяции рыб с «низким и высоким содержанием» и «с высоким покрытием», черты которых регулируются геном Эда, что делает его идеальным местом для изучения.
Когда Рудман и его коллеги собрали оба вида рыб в озере и поместили их в фильтрованную воду, они обнаружили, что рыба с высоким содержанием жира выделяет больше фосфора по сравнению с рыбой с низким покрытием. Используя методы, чаще всего связанные с токсикологическими исследованиями, для отслеживания радиоизотопов, они также обнаружили, что рыба с высоким содержанием железа потребляет больше кальция.
Полученные данные свидетельствуют о том, что версия гена Eda, которой обладает рыба, влияет на то, как она взаимодействует с окружающей средой, потенциально вызывая воздействия на экосистему в целом.
Во второй части исследования Рудман и соавторы смотрели на рыб в других районах Британской Колумбии, собирая их в морских средах, где рыба имеет тенденцию быть более плакированными, или пресноводных, связанных с низким плакированием, чтобы найти признаки население адаптировалось к своей местной среде и экологическим последствиям этих изменений. Для этого исследователи изучили, из чего была сделана рыба химически.
«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 делаем это, мы можем явно связать изменения в них с изменениями в как они взаимодействуют с окружающей средой «.
Исследователи обнаружили, что пойманные в дикой природе морские и пресноводные рыбы значительно различались по так называемому «ионому», составу элементов, которые они содержали. Эти различия сохранялись даже тогда, когда морская рыба вылавливалась в пресной воде, а пресноводная рыба разводилась в соленой воде.
Однако рыбы также показали признаки адаптации к своей новой среде.
«Мы обнаружили, что когда морских рыб помещают в пресную воду, их способность усваивать фосфор увеличивается, — говорит Рудман. «Это имеет большой смысл, потому что фосфор действительно является ограничивающим элементом в пресноводных системах».
Взятые вместе, исследование указывает на редкий случай, когда ученые смогли связать генетическое различие с физическим признаком, а затем связать этот признак с потенциальным воздействием на экосистему, поскольку другие организмы могут использовать элементы, которые рыба вытесняет или поглощает. , Рудман также отмечает, что полученные данные подчеркивают, насколько быстро могут произойти эволюционные изменения, которые влияют на эти экологические эффекты.
«Дарвин сказал, что эволюция медленная, происходит в течение многих веков, а экология происходит сегодня в наших дворах», — говорит Рудман. «Но это не так. Эволюция происходит во многих системах быстро, летом для плодовой мухи или через десятилетие для отсталых».
Он добавляет, что быстрая эволюция, характерная черта меняющихся условий, подобных тем, которые мы наблюдаем сегодня, будет иметь экологические последствия и может однажды помочь ученым предсказать, как виды будут реагировать на предстоящие вызовы.
«Это представляет собой способ, которым эволюция и экология могут быть очень тесно связаны при определении судьбы популяций и видов в будущих условиях», — говорит Рудман.
