Субантарктические пингвины
Эволюция пингвинов в течение многих лет была предметом споров орнитологов. Где и когда жил общий предок этого разнообразного и успешного семейства? Похоже, генетикам удалось наконец разобраться в этом вопросе, для чего понадобилось секвенировать геномы 18 видов пингвинов. Оказывается, пингвины похожи на людей не только своей вертикальной позой, но и тем, что в течение своей эволюции разные виды этих нелетающих птиц неоднократно скрещивались. Впрочем, кого сейчас этим удивишь?
Мы привыкли представлять себе пингвинов резвящимися на льду, но в реальности эти забавные создания завоевали не только сердца публики, но и широкий спектр климатических зон, от побережья Антарктиды (температура воды может быть ниже 0!) до Галапагосских островов у Экватора (средняя температура воды более 27 градусов). Впрочем, всё же пингвины предпочитают прохладную воду, и их прародиной многие считали антарктические берега, откуда пингвинье племя позднее расселилось по южному полушарию. Альтернативная гипотеза помещала предков этих морских обитателей в субантарктические умеренные широты. Кто же прав? Исследования генетиков давали противоречивые результаты, вероятно, из-за того, что основывались на небольшом количестве данных. Неопределённым оставалось и время, когда последний общий предок дал начало ветвистому дереву пингвиньего семейства: по разным оценкам, от 10 до 47 млн лет назад.
Наконец разобраться в запутанной генеологии пингвинов решила группа исследователей, которые секвенировали геномы 22 особей, относящихся к 18 видам. Результаты опубликованы в журнале PNAS.
Как пишут авторы, некоторые образцы для исследования оказалось непросто раздобыть. Например, ткани желтоглазого, большого хохлатого и толстоклювого пингвинов пришлось брать в музеях — живые птицы этих видов в неволе очень редки. Геномы прочли с высоким покрытием (каждый нуклеотид был прочтён 30 раз) и «собрали», используя в качестве эталона ДНК императорского пингвина — самого крупного представителя семейства. Полученные данные соотнесли с палеонтологическими находками ископаемых пингвинов.
Что же получилось? Во-первых, победила «умеренная» версия: исходя из родственных связей и ареалов современных пингвинов, их наиболее вероятная прародина находилась не в Антарктиде, а у берегов Австралии, Новой Зеландии или островов южной части Тихого океана. Уже потом пингвины расселялись всё ближе и ближе к полюсу. Удалось определить и дату начала великого расселения пингвинов — 22 млн лет назад. Кто же первым отправился осваивать неизведанные просторы Антарктики, богатые пищевыми ресурсами? Вероятно, это были представители рода Aptenodytes — императорский и королевский пингвины. Судя по всему, эта группа птиц рано и очень быстро отделилась от пингвиньего «ствола» — генетики рассматривают Aptenodytes как сестринскую кладу по отношению к остальным видам семейства. Авторы отмечают, что такой результат согласуется и с данными палеонтологов.
Остальные представители пингвинов стали активно расселяться по Южному полушарию около 12 млн лет назад. Исследователи полагают, что этому процессу способствовал открывшийся в это время пролив Дрейка между Антарктидой и южной оконечностью Южной Америки. В результате усилилось Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ), огибающее Земной шар с запада на восток, связывая субантарктические острова. В это же время менялся климат: температура воды в Южном океане упала на 6–7 градусов. Вероятно, часть видов, населявших Антарктику, вымерла, освободив ниши для пингвинов. Вместе с течением, наши чёрно-белые симпатяжки двигались с запада на восток. Они заселяли острова и побережья, богатая рыбой вода у которых так манила. В течение последнего ледникового периода морские льды в южном полушарии распространились до 40-й широты, достигнув берегов Южной Америки. Это позволило предпочитающим холодную воду пингвинам проникнуть в субтропики. Дальнейшей экспансии этих птиц на Галапагосы и к берегам Южной Африки способствовали несущие воды на север Бенгельское течение и течение Гумбольта. Увы, эти водные потоки не пересекают экватор. Исследователи полагают, что именно поэтому, а также из-за любви к холодной воде пингвинам не удалось проникнуть в Северное полушарие.
Эволюционная история пингвинов. Гипотеза происхождения видов пингвинов и оценки времени дивергенции. Красные стрелки обозначают четыре точки калибровки ископаемых. Каждый узел представлен предковым распределением до события кладогенеза с использованием реконструкции предкового ареала на основе наиболее подходящей модели и связан с одним или несколькими из 10 географических местоположений, изображённых на карте в правом нижнем углу (буквы от A до J и цветовые коды); области на концах ветвей представляют текущий ареал вида. Температура Южного океана в прошлом представлена белым графиком за филогенетическим древом); начало усиления АЦТ обозначено вертикальной пунктирной красной линией). (Вверху справа) неравенство экологических ниш во времени для пингвинов, с филогенией, спроецированной на пространство параметров ниши по оси y (максимальная температура воды у поверхности) с прогнозируемой занятостью ниши во времени (ось x), реконструированной для внутренних узлов.
Исследование показало, что неунывающие пингвины охотно делились своими генами с представителями других видов семейства. Например, у разных видов хохлатых пингвинов в результате смешения оказалось от 17 до 23% общей ДНК. Большие хохлатые и королевские пингвины имеют 25% «общих генов» и так далее. Вообще хохлатые пингвины оказались самыми смешанными — на их долю пришлось не менее 4 случаев гибридизации. Интересно, что направление многих интрогрессий соответствует Антарктическому течению — «по часовой стрелке».
Постарались исследователи выяснить и то, какие генетические адаптации позволили пингвинам приспособиться к разнообразным условиям, в которые их в буквальном смысле занесло водами океана. Генетики обнаружили более 100 генов, на которые в процессе пингвиньей эволюции воздействовал естественный отбор. Эти гены разделились на два кластера: в один входили те, что отвечают за широкий спектр клеточных функций, а во второй — влияющие на такие свойства, как иммунитет, обоняние, осморегуляцию (баланс солей и жидкости) и терморегуляцию, а также сердечнососудистую деятельность (кровяное давление, метаболизм кислорода и др.). Все эти свойства важны при длительном погружении в воду и для поддержания постоянной температуры тела. Актуально для императорских пингвинов, которые прекрасно проводят время при −40 и плещутся в воде с температурой −1,8 градусов. Галапагосские пингвины, напротив, могут испытывать на себе жару до +40. Регуляция кровяного давления путём сужения сосудов позволяет экономить кислород при длительных нырках. Здесь рекордсмены императорский и королевский пингвины — оба могут нырять на глубину более чем 300 метров, первый проводит под водой до 22, второй — до 8 минут. Более мелкие виды пингвинов не так круты в дайвинге, ныряя лишь на 1–2 минуты. С этим, вероятно, связаны заметные несинонимичные отличия в гене миоглобина (кислородосвязывающего белка) между разными родами пингвинов. А благодаря эффективной осморегуляции эти морские птицы приспособились к чрезвычайно солёной воде океана.
А как менялась численность пингвинов? Генетический анализ показал, что большинство видов этого семейства чрезвычайно размножились во время сильного похолодания 40–70 тыс. лет назад. Численность некоторых видов росла и в предыдущий ледниковый период около 140 тыс. лет назад. Пингвины — большие любители спариваться на льду! С началом потепления численность ряда видов начала падать. От повышения температуры очень страдают субантарктический и галапагосский пингвины.
Очковые пингвины во время брачного сезона
Забавные пингвинчики смогли добиться успеха и на антарктическом побережье, и на тёплых Галапагосах. Но не стоит забывать, что адаптации к разным климатическим зонам не происходят мгновенно. Беспрецедентно быстрый рост температуры, вызванный деятельностью человека, превосходит пингвиньи возможности. Многие популяции пингвинов находятся сейчас под угрозой вымирания. Это относятся и к императорским пингвинам: из-за сокращения площади антарктических льдов эти крупнейшие птицы вынуждены менять места обитания. У другого вида, обитающего в Антарктике — пингвина Адели — опасно возросла смертность птенцов. От небывалой жары страдают пингвины Галапагоссов и Южной Африки, а в Новой Зеландии малый и желтоглазый пингвины, вдобавок, гибнут в когтях одичавших кошек. Пингвины пережили множество климатических пертурбаций, но этот рукотворный катаклизм может оказаться последним для них. Поможет ли новое исследование сохранить забавных «человечков в смокингах»? Исследователи очень надеются как-то повлиять на ситуацию. Сейчас у авторов статьи в руках геномы уже 300 пингвинов. Учёные сообщают, что анализ этого массива данных позволил обнаружить неизвестную ранее популяцию или даже новый вид, который ждёт научного описания.
Александр Соколов, «XX2 век»
Источники:
- https://phys.org/news/2020-08-genome-comparison-insight-penguin-evolution.html
- https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2006659117
