Животным,
обитающим в высокогорьях, приходится выживать в экстремальных условиях: с
низкими температурами, низким уровнем кислорода и сильным ультрафиолетовым
излучением. За исключением адаптации к гипоксии, мало что известно о том, как
проходит приспособление к таким неблагоприятным факторам. Разгадать эту тайну
на примере сокола балобана попыталась международная группа ученых,
опубликовавшая результаты своего исследования в научном журнале Nature
Communications. Среди авторов статьи – два сотрудника Института экологии
растений и животных УрО РАН, кандидаты биологических наук Василий и Александр
Соколовы.
Цинхай-Тибетское
нагорье расположено на юго-западе Китая и занимает территорию около 2,5 млн кв.
км. Средняя высота над уровнем моря составляет более 4 000 м, из-за чего
территорию называют «третьим полюсом мира». Климат там действительно похож на
арктический, но параллели между этими двумя регионами проявляются еще и в
схожих адаптациях у живущих там животных: густая шерсть, большой размер тела и
др. Ученые из Китая, Монголии, Словакии, России, Австралии и Великобритании
впервые проследили на генетическом уровне, как животные из Арктики повлияли на
адаптивную эволюцию своих родственников на Цинхай-Тибетском плато.
Сокол
балобан, типичная хищная птица этого нагорья, широко распространен и в
материковых районах Евразии и Северной Африки. Его родственник, кречет, в
настоящее время населяет тундры и лесотундры в арктических и субарктических
регионах. Исследование показало, что более 20 % генома у восточной популяции
балобана происходит от интрогрессии с кречетом, т. е. от проникновения в
генетический фонд балобана генов кречета в результате естественного
скрещивания.
Ученые
смоделировали историческую среду обитания этих двух хищных птиц и обнаружили,
что во время последнего ледникового максимума кречеты мигрировали из северных
регионов на юг Сибири, где спаривались с балобанами. Популяционно-генетический
анализ позволил выстроить следующую возможную хронологию: 1) 38–78 тыс. лет
назад балобаны постепенно расселились из Центральной Европы в Восточную Азию, в
частности, в Монголию, близко к южной границе Сибири; 2) во время последнего
ледникового максимума, 16–25 тыс. лет назад, кречеты переместились из Арктики в
южную Сибирь; 3) 8–12 тыс. лет назад балобаны, прошедшие через гибридизацию с
кречетом, колонизируют Цинхай-Тибетское нагорье.
Также
был систематически исследован генетический механизм того, как животные нагорья
адаптируются к низким температурам, гипоксии и сильному ультрафиолетовому
излучению.
Живущий
на плато балобан крупнее и тяжелее, чем его собрат из западной популяции. Это
соответствует известному в биологии правилу Бергмана, гласящему, что размер
тела теплокровных животных в холодном климате больше, чем в теплом.
Исследователи обнаружили два родственных гена интрогрессии, SCMH1 и SCARB1, в
геноме восточного балобана. Первый ген – интрогрессивный фрагмент интрона SCMH1
– приводит к увеличению размера тела сокола. Второй ген SCARB1, содержащий
инфильтрирующую аминокислотную мутацию SR-B1 P121L, оказывается полезен для
высокогорных хищников, так как выводит больше холестерина из крови и уменьшает
негативный эффект увеличения липидов в рационе.
Для
исследования адаптации к низкому содержанию кислорода в условиях высокогорья
использовался трехмерный анализ генома и транскриптома. В результате ученые
выяснили, что регуляторные элементы гена гемоглобина воздействуют на сам ген
таким образом, что организм птицы в ответ на гипоксию начинает больше
вырабатывать этот железосодержащий белок, чтобы наиболее эффективно снабжать
кислородом ткани и органы.
Адаптация
к УФ-излучению также обусловлена генетически. За синтез пигмента эумеланина,
защищающего организм от избытка ультрафиолета, отвечает участок гена ASIP.
Изменения в нем способствуют большей выработке пигмента и, как следствие,
лучшей защищенности сокола балобана от солнечной радиации.
Источник: УрО РАН.
Текст: Павел Киев.