ДНК моллюсков расскажет историю сверхконтинента Пангея

Учёные Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики РАН вместе с зарубежными коллегами открывают новые виды пресноводной фауны, изучают сложную географию их расселения и ДНК. Совместная работа с французскими геохимиками открыла совершенно неожиданные перспективы. Речь о глобальном проекте, который должен завершиться подтверждением (или опровержением) интереснейшей биологической гипотезы, а с другой стороны, даст возможность пролить свет на то, как образовались нынешние континенты Земли.

Фото из архива ФИЦКИА РАН

Здравый консерватизм

Пресноводные двустворчатые моллюски (перловицы, жемчужницы и беззубки) при всей своей внешней простоте — весьма интересная живность. Это очень древние группы животного мира. Время их возникновения — триасовый период (220–240 миллионов лет назад): появились они примерно тогда же, когда и динозавры, но с лёгкостью их пережили.

— Моллюски — очень консервативная форма: скорость эволюции их генома достигает всего доли процента на миллион лет, — объясняет директор ФИЦКИА РАН, член-корреспондент РАН Иван Болотов. — К медленно развивающимся видам также относятся пиявки, кистепёрые рыбы, крокодилы, черепахи, также появившиеся в мезозойскую эру. Вероятно, произошёл удачный разворот эволюции, и они идеально приспособились к среде обитания. Предположительно, у таких организмов вырабатывается особый механизм, который защищает их ДНК, поддерживает в неизменном состоянии, не позволяя меняться, отсекая все мутации.

Международная группа биологов, костяк которой составляют архангелогородцы, и в которую входят ведущие учёные-малакологи США, Португалии и ряда других стран, пришла к выводу, что пресноводные моллюски произошли от одного предка, обитающего в очень крупной реке на территории нынешнего Китая. Это был морской моллюск, который вселился в пресные воды. Подтверждение этой гипотезы произошло в Мьянме, где были обнаружены пресноводные моллюски, бурящие скалы.

Пробоподготовка образцов для дальнейшего анализа на высокоточном оборудовании проводят в Миди-Пиренейской лаборатории университета Тулузы. Фото из архива ФИЦКИА РАН

Паразит на паразите

В истории Земли морские формы заселялись в пресную воду неоднократно. Бурильщики жили в эстуарии — прилегающем к морю устье реки. По мере тектонического подъёма участка земной коры среда их обитания всё больше опреснялась. Моллюски смогли приспособиться и сейчас живут далеко от моря. Кажется, что всё просто, но в реальности — это колоссальные физиологические изменения.

Перестройка жизненного цикла происходила так, чтобы личинка моллюска смогла свободно жить в пресной воде. Для выполнения этой цели эволюция выбрала механизм паразитирования: личинка прикрепляется к рыбе и развивается в её жабрах. Развиваясь, особь в итоге выходит во внешнюю среду и живёт самостоятельно, уже не паразитируя на других видах. То есть на раннем этапе рыба-хозяин заменяет моллюску своими биологическими жидкостями морскую воду.

Что интересно, занимаясь исследованием раковин, учёные ФИЦКИА РАН обнаружили организмы, которые паразитируют на моллюсках и рыбах. И это упомянутая группа таких же древних организмов — пиявок. Совсем недавно архангельские учёные открыли новые виды пиявок, обитающих в водоёмах Дальнего Востока России, Южной Кореи и Мьянмы, и описали их паразитический жизненный цикл.

Присутствие пиявок в мантийной полости пресноводных моллюсков биологи фиксировали с XIX века, но до настоящего времени такое явление считалось случайностью. Архангельские исследователи установили, что некоторые из открытых видов пиявок-паразитов живут внутри раковин большую часть жизненного цикла.

На ранней стадии развития пиявка питается гемолимфой моллюска. Покинув раковину, она присасывается к рыбе, чтобы добыть кровь, накапливая её в пищеварительной системе. Как и самка комара, пиявка пьёт кровь для созревания яиц. Рыбы выступают в качестве агентов расселения пиявок в водоёмах. Получив кровь рыбы, пиявка возвращается в моллюска, чтобы отложить яйца.

Проблема пиявок-паразитов требует дальнейшего пристального изучения. Глобальные изменения климата могут вызвать вспышки численности пиявок и ослабление популяций рыб и моллюсков. Учёные определили уровень заражения моллюсков пиявками в различных регионах. Самый высокий процент зафиксирован в Восточной Азии (Дальний Восток РФ, Южная Корея, Япония).

Обладательница президентского гранта Ольга Аксёнова отбирает образцы на озере Эмералд (Канада). Фото из архива ФИЦКИА РАН

Кто от кого произошёл

Но вернёмся к моллюскам — важнейшей составляющей пресноводных экосистем, выполняющей роль естественных фильтров воды. Эти виды зародились на территории современного Китая, когда континентов в нынешнем понимании ещё не было. Зато был сверхконтинент Пангея, включавший северный континент Лавразию (позднее расколовшуюся на Евразию, Северную Америку и Гренландию) и южный континент Гондвану (от которой образовались Африка, Южная Америка, Австралия и Антарктида).

Моллюски возникли именно в период существования Пангеи и расселились на всех континентах кроме Антарктиды.

Биологи взяли на вооружение мысль о том, что в ДНК моллюсков заложена информация о прошлом континентов и их соединениях. Но сначала надо расшифровать и прочитать эту геномную информацию. Вот поэтому большой международный коллектив изучает моллюсков по всему миру и создаёт объёмную информационную базу и расчётную модель, которая поможет понять, где возникла группа моллюсков и как расселялась. Распространяться она могла с пресноводными рыбами, а значит, только через прямые соединения рек.

По словам Ивана Болотова, если учёные смогут понять, какая группа от какой произошла, и чётко датировать, когда это случилось, можно будет восстановить основные этапы дезинтеграции Пангеи, контуры рек и их устьевых частей. Выяснить, как они могли соединяться на разошедшихся континентах. Биологи считают пресноводных моллюсков уникальной группой, которая поможет реконструировать древнейшие биологические и геологические события.

Что ещё любопытно, российские учёные совместно с коллегами из университета Тулузы (Франция) рассматривают генетическую эволюционную картину моллюсков в связке с геохимией. Это ключ к пониманию того, как эволюционировали механизмы накопления неорганических элементов в раковине, что в перспективе поможет нащупать связь древних раковинных ископаемых с конкретными современными таксономическими группами.

— Два разных вида, обитающих в одном пресноводном водоёме, находятся в одинаковых условиях, но, если мы достоверно подтвердим различия содержащихся в их раковинах спектров микроэлементов, это будет означать, что «работает» именно вид, — объясняет директор ФИЦКИА РАН. — Если нам удастся доказать различия геохимии на уровне вида, рода и семейства, мы получим уникальный инструмент для определения таксономической принадлежности раковин.

Сотрудники партнёрских научных центров собрали сотни образцов пресноводных моллюсков на разных континентах — в Северной и Южной Америке (США, Канада, Бразилия, Аргентина), в Австралии, Африке и Евразии — от Западной Европы до Японии. В конце 2019 года в Тулузе выполнили пробоподготовку образцов. Учёные приступили к считыванию содержащихся в раковинах микроэлементов на высокоточных спектрометрах.

После обработки данных участники проекта планируют создать глобальную базу расшифровок микроэлементных спектров раковин и международную онлайн-систему, которой могли бы пользоваться и пополнять новыми образцами биологи всего мира.

Высокотехнологичный инструмент может стать эффективным и с точки зрения анализа археологических и палеонтологических данных. Например, с помощью него можно будет определять происхождение найденных археологами древних украшений из жемчуга, сопоставляя полученные данные с эталонными спектрами на интернет-портале.