Глубоководные байкальские рачки за миллионы лет сохранили способность адаптироваться к нагреву

Биологи выяснили, что рачки-бокоплавы, обитающие в холодных глубинных водах Байкала, способны адаптироваться к высоким температурам. Такое свойство неожиданно, поскольку часто организмы, живущие в крайне стабильных условиях среды, его утрачивают. Возможно, наблюдаемый эффект связан с тем, что глубоководные виды когда-то произошли от более теплолюбивых предков. Кроме того, авторы допускают, что возможность приспосабливаться к высоким температурам может быть нужна байкальским рачкам, чтобы искать пищу в районах глубинных термальных источников. Открытие позволяет лучше понять не только то, как происходило формирование фауны Байкала, но и по каким законам она эволюционирует в настоящее время. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology.

Воды Байкала из-за огромной глубины озера (1642 метра) очень холодные. Хотя на мелководье летом они прогреваются до 25°С, в основной своей массе круглый год воподдерживают стабильную температуру около 4°C. При этом Байкал населен крайне разнообразной эндемичной — характерной только для этого озера — фауной, среди которой особенно интересны рачки-бокоплавы, которых в озере более 350 видов. Они населяют как прибрежные, так и глубинные воды Байкала, а значит, приспособлены к жизни в очень широких температурных пределах. Мелководные виды привыкли к значительным сезонным перепадам температур, а их глубоководные родственники живут в условиях вечного холода и довольно чувствительны к малейшим изменениям среды обитания.

Ученые из Иркутского государственного университета (Иркутск) и Университета города Росток (Германия) исследовали глубоководных байкальских рачков-бокоплавов двух видов — омматогаммаруса желтого (Ommatogammarus flavus) и омматогаммаруса белого (Ommatogammarus albinus), — чтобы понять, как их организмы функционируют в условиях холода и как реагируют на повышение температуры.

«В ходе эволюции организмы, обитающие в стабильных условиях, например, в условиях постоянного холода, обычно повышают свою энергоэффективность, отказываясь от ненужных функций. Так, в глубинах Антарктики обитают рыбы и беспозвоночные, которые за десятки миллионов лет утратили способность синтезировать стрессовые белки, реагирующие на перепады температур. Это связано с тем, что среда их обитания настолько постоянна, что такие стресс-механизмы стали бесполезны. Примерно такую же картину мы и ожидали увидеть у байкальских глубоководных рачков, которые миллионы лет живут в условиях стабильной низкой температуры», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Тимофеев, доктор биологических наук, директор Научно-исследовательского института биологии Иркутского государственного университета.

Выбранные для исследования виды рачков — эндемики, они обитают только в Байкале и отличаются друг от друга зонами обитания и общей стрессоустойчивостью. Омматогаммарус желтый иногда встречается на мелководье, но в целом предпочитает находиться на глубинах от 50 до 1000 метров. Омматогаммарус белый обитает только на глубинах от 100 метров и вплоть до максимума, 1642 метров. Оба вида поедают органические остатки со дна, участвуя в очистке озера. Кроме того, они богаты жиром и служат пищей для донных рыб и даже нерп.

Биологи выловили омматогаммарусов с разных глубин Байкала и в специальных камерах акклиматизировали их к условиям лаборатории. Всех особей изначально держали в воде с привычной для них температурой в 4°C. Затем рачков поместили в условия холода (температуры 0,5–2°C) или постепенного нагрева (до температуры 26°C). В каждом случае исследователи отслеживали в организме животных количество соединений, вовлеченных в энергетические процессы в тканях, и активность антиоксидантных ферментов.

Эксперименты показали, что желтый омматогаммарус лучше переносит нагрев, чем обитающий на большей глубине белый омматогаммарус. Так, все особи первого вида гибли при температуре 26°С, а второго — при 24°С. Однако оба вида были одинаково устойчивы к понижению температуры.

Кроме того, оказалось, что у обоих омматогаммарусов при повышении температуры начинает расти уровень глюкозы — ключевой молекулы, которая служит источником энергии для организма. Этот показатель к концу эксперимента превышал контрольные значения в десять раз, и это говорит том, что оба рачка активируют стресс-реакцию, многократно повышая на нее свои энергозатраты. Такая реакция на нагрев необычна для холодноводных видов, которые в природе не сталкиваются с высокими температурами.

Авторы предполагают: этот ответ организма связан с тем, что все глубоководные байкальские рачки когда-то произошли от мелководных теплолюбивых предков. Так, исследованные виды омматогаммарусов относятся к эволюционно достаточно молодой группе. Согласно оценкам, они возникли не более пяти миллионов лет назад. Вероятно, в силу «эволюционной молодости» эти рачки еще не успели полностью утратить способность противостоять нагреванию, как это произошло у более древних антарктических видов.

«Обнаруженная у омматогаммарусов способность переносить нагрев — эволюционный "рудимент", который может исчезнуть, если условия останутся неизменными еще миллионы лет. Однако у нас есть другая гипотеза. Омматогаммарусов часто находят вблизи глубинных термальных источников с очень горячей водой, куда они могут заплывать в поисках пищи — дефицитного на дне Байкала ресурса. В таких зонах часто наблюдается высокая биомасса и разнообразие донных организмов, так что шансы найти себе пропитание здесь гораздо выше, чем в окружающей холодной воде. Возможно, что глубоководные рачки не стали "отказываться" от механизмов температурного стресс-ответа в том числе и для того, чтобы периодически посещать эти высокотемпературные районы на дне озера», — подводит итог Максим Тимофеев.