Учёные объяснили, почему байкальские рачки размножаются зимой
Всё дело в конкуренции
Иркутские учёные выяснили зачем байкальским рачкам размножаться зимой. В журнале Ecology and Evolution опубликована совместная статья исследователей НИИ биологии Иркутского госуниверситета и их немецких коллег.
Участники работы, директор НИИ биологии Максим Тимофеев и ведущий научный сотрудник Полина Дроздова, рассказывают, о чём она. По их словам, озеро Байкал известно своими суровыми климатическими условиями. Так, в зимние месяцы температура воды у берегов понижается до околонулевых значений, а поверхность покрывается толстой ледяной шапкой толщиной до метра. В большинстве водоёмов планеты в зимний период подо льдом жизнь замирает. Однако это не относится к байкальским эндемикам: для множества из них зима — время самого активного развития и даже размножения. Яркий пример — рачки-амфиподы, многие виды которых характеризуются именно зимним размножением.
- Зачем же им это нужно? Учитывая ограниченную доступность пищи и крайне суровые условия подо льдом, стремление к активной зимней репродукции кажется нелогичным — налицо некий эволюционный парадокс. Именно эта загадка заинтересовала международную команду учёных из центра экологических исследований имени Гельмгольца (Лейпциг, Германия) и нашего НИИ биологии ИГУ. Для исследования был выбран Eulimnogammarus verrucosus (эулимногаммарус бородавчатый) — вид рачков-амфипод, широко распространённый по всему побережью и характеризующийся зимним периодом размножения. Рачков ежемесячно отлавливали в течение года и проводили глубокий анализ протеома — совокупности всех белков организма. Для этого применялись современные методы масс-спектрометрии и кластерного анализа, которые позволили выявить сезонные изменения в составе белков, отражающие адаптацию к меняющимся в течение года условиям, - отметили учёные.
В результате работы обнаружилось, что протеом амфипод существенно изменяется в зависимости от сезона. Так, осенью и зимой увеличивалась концентрация ферментов, участвующих в разложении органических веществ и обеспечивающих энергию (например, ферменты, расщепляющие полисахариды, белки, а также ферменты цикла Кребса). Вероятнее всего, это связано с зимним дефицитом пищевых ресурсов. В то же время снижалось количество белков теплового шока, защищающих организм от высоких температур. В условиях зимних холодов их необходимость очевидно мала. К началу лета наблюдалась обратная картина — активизировались белки теплового шока и комплексы, участвующие в синтезе клеточных белков, что соответствует периодам повышения температуры и росту метаболической активности у рачков.
Однако самые значительные различия в протеоме оказались связанными с половыми особенностями. У самок с наступлением осени, в период формирования так называемых прекопул («парочек», при которых самец удерживает самочку перед спариванием), в протеоме доминировали белки, связанные с формированием яйцеклеток и транспортом липидов и белков (вителлогенины, переносчики липидов, ферменты пуринового синтеза). Эти изменения показывают, что рачки с зимним размножением начинают заранее готовиться к нему в тёплый осенний сезон, когда ещё доступна пища. То есть зимние амфиподы «готовят сани летом», точнее — осенью. К наступлению холодов у самок уже накапливаются запасные белки, необходимые для эмбрионов, развитие которых происходит в условиях дефицита внешнего питания. Метаболизм эмбрионов опирается на эти ресурсы. Из-за низких температур развитие «зимних» эмбрионов замедляется и длится значительно дольше — несколько месяцев, что резко отличает их от эмбрионов летних видов.
Другое любопытное наблюдение отмечено у самцов. В протеоме самцов в период формирования прекопул («парочек») наблюдали значительный рост содержания белков, связанных с мышечной активностью и энергетическим обменом (мышечные белки твитчин, титин, миозин, ферменты гликолиза). Очевидно, это связано с тем, что в состоянии прекопулы, которое может длиться до нескольких (!) недель, самец должен силой удерживать самочку и активно плавать вместе с ней. Это требует больших энергетических затрат и усиленной мышечной работы, обеспечиваемой соответствующими белками. Соответственно, к концу осени мышцы самцов рачков становятся очень хорошо «накачанными» благодаря этим белкам.
- В целом сопоставление протеомных данных с экологическими параметрами — температурой воды, продолжительностью светового дня, периодом ледового покрова и сезонностью доступности пищи — позволило понять временную схему репродуктивных процессов. Теперь нам известно, что формирование яйцеклеток и поиск партнёра происходят осенью, в период относительного тепла и достаточного питания. Зимнее развитие эмбрионов идёт за счёт запасов в яйцах и не требует значимых внешних ресурсов. Весной, с улучшением условий, происходит выход молоди из яйца и её активное питание. Летом рачки находятся вне репродуктивного периода и тратят энергию на рост и развитие, - пояснили в ИГУ.
Так зачем же байкальским амфиподам размножаться в неудобное зимнее время, когда можно это делать в тёплые и кормные летние месяцы? Всё дело в конкуренции. В Байкале насчитывается более 350 видов рачков-амфипод, из которых не менее трети обитают в узкой мелководной зоне. Совместное обитание сотен видов на очень ограниченной территории ведёт к острой борьбе за пищевые и территориальные ресурсы. Период тёплой воды и максимальной продуктивности ограничен всего несколькими летними месяцами. В этой гонке те виды, которые раньше всех начинают размножаться и производить потомство, занимают «лучшие места за столом». Молодь зимних видов начинает питаться, расти и выигрывать конкуренцию просто потому, что они первыми пришли на «банкет» — успевая собрать больше еды и накопить энергии, чем более поздние рачки других видов. Благодаря этому раннему старту «зимние» виды байкальских рачков вырастают в особей значительно более крупных размеров, чем их мелкие летние родственники. Это даёт значительное конкурентное преимущество в борьбе за выживание.
Таким образом, зимнее размножение E. verrucosus — пример специализированной и сложной адаптации, включающей растянутый жизненный цикл с распределением энергозатратных процессов во времени для избегания неблагоприятных условий. Уникальные экологические особенности Байкала, холодная, но насыщенная кислородом вода под толстым льдом, создают условия, позволяющие амфиподам поддерживать метаболическую активность и успешно размножаться зимой.
- Это исследование не только позволяет глубже понять механизмы стресс-адаптации эндемичных амфипод и особенности их репродуктивных стратегий, но и подчёркивает значение сезонной регуляции для выживания в экстремальных климатических условиях. Адаптированная метаболическая система байкальских эндемиков, выработанная эволюцией в крайне неблагоприятных условиях, демонстрирует, как живые организмы могут эффективно использовать энергетические ресурсы, чтобы гарантировать воспроизводство в самые холодные и, казалось бы, непригодные для жизни сезоны, получая тем самым конкурентное преимущество для своего потомства, - добавили в управлении информационной политики ИГУ.