Пояснення того, що відбувається сьогодні, і передбачення майбутнього вимагають розуміння подій минулого. Сучасний стан світу є прямим результатом його історичного розвитку.
Еволюційна біологія має неймовірні засоби для дослідження минулого, яке може дати нам певне уявлення про майбутнє, бо деякі події мають властивість періодично повторюватися. Отже, можемо очікувати, що попереду на нас чекає дещо, що колись уже відбулося.
Існують проблеми, які важко піддаються поясненню. Серед них — біполярне поширення організмів. Чому споріднені організми живуть у високих широтах обох півкуль Землі, але відсутні в тропіках?
Разом із колегами з Польщі Александром Бєлецьким і Йоанною Ціхоцькою, Маріо Санторо з Італії та Петером Тронтелєм зі Словенії ми досліджували поширення паразитів риб — п’явок-пісциколід. Ми відкрили доти не відомий науці вид, який живе навколо Антарктиди в морях Росса, Космонавтів та Рісер-Ларсена.
Андрій Утєвський під час підводних досліджень (Фото: Дмитро Шмирьов)
Ретельне дослідження зовнішньої та внутрішньої будови нового виду, а також його ядерних і мітохондріальних генів показало, що найближчі родичі антарктичної п’явки живуть у холодних водах північної частини Тихого океану. Незвичайною особливістю антарктичного виду є наявність у нього двох чоловічих статевих отворів (так званих гонопорів), на відміну від більшості п’явок, які мають лише один чоловічий гонопор.
Більшість антарктичних риб належить до родини Нототенієві (Фото: Андрій Утєвський)
Виявилося, що нова п’явка належить до групи, яку називають «платибделіни». Ця група складається із видів, які мають бореально-арктичне поширення, тобто живуть в Арктиці й суміжних водах Атлантики та Тихого океану. Це те саме, що знайти білого ведмедя в Антарктиці!
Як могло виникнути таке надзвичайне географічне поширення? Як представник бореально-арктичної групи видів опинився в Антарктиці?
Ми висунули гіпотезу, що північний предок нового виду перетнув тропічні води й опинився в Антарктиці. Однак у такому разі холодолюбний вид мав перебувати певний час у незвичних для нього теплих тропічних водах, а згодом перейти до життя в холодних морях Антарктики. Іншим поясненням може бути тимчасове охолодження тропіків під час глобальних змін клімату в минулому, що створило сприятливіші умови для холодолюбних організмів. Яке з цих двох альтернативних пояснень правильне?
Підводний світ Антарктики надзвичайно різноманітний (Фото: Андрій Утєвський)
Сучасні методи послідовностей ДНК допомогли віднайти шляхи еволюції п’явок, що були відтворені спеціальною програмою у вигляді філогенетичного древа. З мільйонів можливих дерев комп’ютерний алгоритм вибрав дерево з максимальною правдоподібністю.
Після того ми застосували метод Баєсового висновування, який дозволив реконструювати географічне поширення предків тих видів, які ми досліджували.
Цей метод ґрунтується на теоремі, яку запропонував британський пресвітеріанський священик Томас Баєс. Він не встиг оприлюднити своє відкриття — публікація з’явилася в 1763 році, за два роки після його смерті. Баєсове висновування дозволяє уточнити ймовірність гіпотези в разі отримання додаткових свідчень.
Баєс навіть не міг собі уявити, що його метод використають для аналізу географічного поширення морських п’явок. Він продемонстрував високу ймовірність нашої гіпотези про те, що предки нового виду спочатку жили в холодних північних водах Світового океану, а потім перетнули тропіки та досягли Антарктики.
Нам удалося визначити, коли відбулася ця подія, за допомогою методу молекулярного датування. Була використана гіпотеза молекулярного годинника. Згідно з цим припущенням, молекулярна еволюція, тобто накопичення мутацій у молекулах ДНК, відбувається приблизно з однаковою швидкістю протягом мільйонів років у предків видів, яких ми досліджували. Для того, щоб визначити час виникнення нового виду, нам необхідно було калібрувати наш молекулярний годинник за допомогою іншої еволюційної події, якщо час, коли вона відбулася, нам відомий. Іншими словами, нам довелося визначити швидкість молекулярної еволюції.
Як калібрувальну подію ми вибрали виникнення двох споріднених видів риб’ячих п’явок роду Notostomum, що сталося внаслідок закриття Берингової протоки три мільйони років тому. Суходіл розділив ареал предкового виду, що призвело до утворення двох сучасних видів, які живуть тепер у Північному Льодовитому океані та північній частині Тихого океану.
Отже, ми отримали всю необхідну інформацію для датування події, яка нас цікавила — перетинання предком нашого нового виду тропіків. Молекулярний годинник показав, що антарктичний вид відокремився від своїх північних родичів приблизно 1,76 мільйона років тому під час плейстоцену, коли поверхня Землі зазнала значного охолодження. Саме в цю епоху холодолюбний предок антарктичної п’явки зміг перетнути тропіки!
Наші філогенетичний аналіз і реконструкція предкових ареалів показали, що риб’ячі п’явки виникли в морях навколо Антарктиди, потім вони поширилися Світовим океаном, досягли Арктики та проникли в прісні водойми Північної півкулі. Однак згодом предок нашого виду повернувся з півночі на батьківщину пращурів всієї родини риб’ячих п’явок в Антарктиці! Ось така заплутана еволюційна історія цього виду.
Ми віднесли новий вид до нового роду, який назвали Austroplatybdellina, що перекладається з латини як «південна платибделіна», тому що ця антарктична п’явка належить до переважно північної групи платибделін.
Еволюційна історія нового виду нагадала притчу про блудного сина, який покинув свого батька та блукав у далеких країнах так само, як і п’явки-платибделіни в північних морях. Згодом одна з них повернулася на свою південну прабатьківщину. Латиною «блудна» — «prodiga». Отже, повна офіційна назва описаного нами нового для науки виду — Austroplatybdellina prodiga.
Антарктична риб’яча п'явка Austroplatybdellina prodiga (Фото: Joanna M. Cichocka)
Головний урок, котрий ми можемо винести з цієї історії, яку розкрив арсенал методів еволюційної біології, полягає в тому, що кліматичні зміни суттєво впливали на географічне поширення організмів. Охолодження відбувалися неодноразово впродовж минулих геологічних епох. Нам слід взяти це до уваги та пам’ятати про можливість не лише глобального потепління, але й глобального охолодження, яке може привести до значних змін умов життя на Землі.
Сергій Утєвський — доктор біологічних наук, професор кафедри зоології та екології тварин біологічного факультету Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, email: [email protected].
Андрій Утєвський — кандидат біологічних наук, доцент кафедри зоології та екології тварин біологічного факультету Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, email: [email protected].
