Ученые проследили постледниковое расселение краснокнижной жемчужницы

На основе анализа генетических данных ученые восстановили пути расселения пресноводного двустворчатого моллюска европейской жемчужницы (Margaritifera margaritifera) в постледниковый период. Пресноводные моллюски — природный биофильтратор воды и живой индикатор ее состояния. Вместе с тем, европейская жемчужница входит в число видов, включенных в Красную книгу. В новом исследовании ученые также оценили генетическое разнообразие вида.

Над проектом работают биологи Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова Уральского отделения РАН (Лавёровский центр, Архангельск), Карельского научного центра РАН (Петрозаводск) и Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (Москва).

Margaritifera margaritifera обитает в реках атлантического побережья северо-восточной части США, восточного побережья Канады, реках и ручьях Западной Европы, Балтии, Белоруссии и таежной зоны Северо-Запада России, включая водоемы бассейнов Белого, Баренцева и Балтийского морей. Сегодня ученые говорят об уменьшении количества ее популяций и сокращении площади ареала.

Чтобы изучить внутривидовую генетическую изменчивость у моллюсков, исследователи использовали фрагменты последовательности гена цитохром-с-оксидазы первой субъединицы (COI). Участок митохондриального гена COI эволюционирует, накапливая мутации и замены отдельных нуклеотидов. Анализ схожести этих участков у разных особей из разных популяций позволяет оценить степень их родства и в конечном итоге дает возможность выявить пути расселения вида и области, которые могли служить убежищами отдельных популяций в период оледенения.

Подводные фото, река Солза (Архангельская область). Автор подводной съемки: Александр Петров

В ходе исследования российские ученые подтвердили более ранние данные зарубежных коллег о том, что на территории Пиренейского полуострова, юге Франции и на Британских островах в период последнего оледенения существовали рефугиумы — убежища для пресноводной фауны. Благодаря им жемчужнице и лососевым видам рыб, с которыми расселяется моллюск, удалось уцелеть на пике оледенения. Вероятно, оттуда жемчужница начала расселяться по своему ареалу после отступления ледника 15-12 тысяч лет назад.

Мигрировать жемчужнице помогает механизм паразитирования: личинки (глохидии) моллюска прикрепляются к жабрам рыб (семга и кумжа), обеспечивающих питание и способствующих расселению.

Анализ показал наибольшее генетическое сходство между популяциями жемчужницы в северо-восточной части Европы (Кольский полуостров, север Республики Карелия) и популяциями в Северной Америке. Этот факт хорошо согласуется с выдвинутой ранее гипотезой о неоднократном обмене мигрантами между популяциями лосося Северной Европы и Северной Америки. По всей видимости, европейская жемчужница неоднократно пересекала Северную Атлантику вместе с лососем, что и привело к обмену генами между популяциями из разных частей света.

Наиболее интересной территорией с точки зрения генетического разнообразия вида оказалась северная часть Республики Карелия.

Подводные фото, река Солза (Архангельская область). Автор подводной съемки: Александр Петров

«Это зона встречи двух миграционных потоков: с юга — с Балтийского моря, из Финского залива, и с севера — из Северной Атлантики, Северной Америки. Именно здесь наблюдается наибольшее генетическое разнообразие: популяции в соседних притоках рек могут сильно отличаться между собой генетически. Такие регионы важны для любого вида: чем выше генетическое разнообразие, тем устойчивее биологическая система», — комментирует ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной экологии и биогеографии Лавёровского центра Илья Вихрев.

Присутствие уникальных гаплотипов в отдельных популяциях Беломорской Карелии, Архангельской и Ленинградской областей свидетельствует о том, что эти популяции долгое время были изолированы. При этом жемчужницы крайне медленно эволюционируют. Чтобы уникальные замены появились в анализируемом фрагменте гена COI, нужны миллионы лет.

Геологические данные показывают, что примерно 15-12 тысяч лет назад существовали пресноводные приледниковые водоемы, соединявшиеся с бассейнами рек Балтийского и Белого морей (Балтийское и Беломорское ледниковые озера). Биологи предполагают, что древние озера были изолированы. Это объясняет присутствие в популяциях уникальных гаплотипов.

В настоящий момент архангельские ученые совместно с коллегами из Карелии и из-за рубежа занимаются детальным разбором картины обнаруженного генетического разнообразия с помощью анализа микросателлитных фрагментов ядерного генома пресноводных жемчужниц, который позволяет отследить изменения, отразившиеся в геноме организмов в течение последних сотен лет. Этот же метод позволит оценить влияние антропогенного пресса на генетическое разнообразие жемчужниц.

Экстремальным примером отсутствия генетического разнообразия по гену COI является популяция европейской жемчужницы в реке Пейпия в Ленинградской области, где в выборке был обнаружен единственный гаплотип. Отсутствие генетического разнообразия повышает риск исчезновения популяции. Риск вымирания моллюска также может быть связан со снижением численности рыб-хозяев. На отдельных территориях сказывается загрязнение воды промышленными и бытовыми стоками, искусственное изменение формы и режима русла рек.

Схема распределения гаплотипов гена COI между группами популяций жемчужницы европейской и предполагаемые пути расселения вида

Негативно влияет и фактор глобального потепления: повышение среднелетней температуры отражается на продолжительности жизни жемчужниц. Малакологи (малакология — раздел зоологии, посвященный изучению мягкотелых, или моллюсков) отмечают широтный тренд: жемчужницы из северных популяций крупнее и живут дольше, из южных популяций — мельче и живут меньше.

Исследование проводится в рамках проекта Российского научного фонда 21-74-10130 «Прогноз влияния изменения климата на генетическое разнообразие и состояние популяций угрожаемых видов крупных пресноводных двустворчатых моллюсков (Bivalvia: Unionoida) России». При финансировании Минобрнауки России были проведены филогенетические расчеты, популяционно-генетический анализ, подготовка иллюстраций и написание рукописи. Результаты исследования опубликованы в журнале Diversity.

Основная часть материалов для исследований была собрана в ходе экспедиций сотрудниками Лавёровского центра и Карельского научного центра РАН. Часть материала была взята из доступных баз данных. Таким образом, был охвачен практически весь ареал вида, простирающийся от Архангельской области до Пиренейского полуострова в Европе и от штата Делавэр в США до острова Ньюфаундленд в Канаде на восточном побережье Северной Америки.