Ученые Института экологии растений и животных УрО РАН и Московского педагогического государственного университета впервые обнаружили у почвенных коллембол закономерное распределение генетических линий вдоль градиента промышленного загрязнения. В чистом лесу и возле Среднеуральского медеплавильного завода внешне одинаковый вид оказался представлен разными внутривидовыми вариантами. Чувствительная линия встречалась только на фоновом участке, более устойчивая — в зоне сильного загрязнения. Результаты исследования опубликованы в журнале “Environmental Pollution”.
«Коллемболы, или ногохвостки, — это крошечные почвенные членистоногие, близкие к настоящим насекомым, — поясняет заведующий лабораторией экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН, доктор биологических наук Евгений Воробейчик. — Их обычный размер составляет около миллиметра. Русское название связано с особым прыгательным аппаратом на брюшке: при опасности он позволяет животному резко оттолкнуться и исчезнуть из поля зрения. Несмотря на скромные размеры, коллемболы входят в число главных обитателей почвы. Вместе с почвенными клещами они составляют до 90 % микроскопических членистоногих в ее верхних слоях. На одном квадратном метре может жить около 30 тысяч таких существ. Они перерабатывают мертвую органику, участвуют в почвообразовании и служат кормом для множества других животных».
Окрестности Среднеуральского медеплавильного завода под Ревдой уже более трех десятилетий служат природной лабораторией для уральских экологов. Здесь можно проследить, как почвенные сообщества менялись под воздействием промышленных выбросов, а после их резкого сокращения в 2010 году начали медленно восстанавливаться. В наиболее загрязненных местах почти исчезли дождевые черви и многие другие представители почвенной фауны. Но один из самых массовых европейских видов коллембол — Parisotoma notabilis — сохранял высокую численность даже рядом с заводом.
На первый взгляд, это говорило об исключительной выносливости вида. Однако оставался вопрос: действительно ли все его представители одинаково хорошо переносят загрязнение?
Ответ удалось получить благодаря сотрудничеству двух научных коллективов. Сотрудники ИЭРиЖ УрО РАН отвечали за экологическую часть работы. Генетический анализ провели специалисты Московского педуниверситета — доктор биологических наук, профессор Наталья Кузнецова, один из ведущих российских исследователей коллембол, и кандидат биологических наук Анастасия Стрючкова.
Собрать коллембол вручную практически невозможно. В полевых условиях ученые отбирали лесную подстилку на чистых, умеренно и сильно загрязненных участках. В каждой зоне выбрали по три пробные площадки, а материал брали из нескольких точек, чтобы учесть его естественную неоднородность.
Для генетического анализа случайным образом отобрали 42 особи. Из каждой выделили ДНК, с помощью полимеразной цепной реакции многократно скопировали нужный участок генома, а затем определили последовательность нуклеотидов. Ученые прочитали несколько сотен генетических «букв» и сравнили полученные последовательности между собой и с данными из генетических баз.
«Внешне все особи Parisotoma notabilis выглядят одинаково. Они не различаются под микроскопом, но их ДНК позволяет уверенно разделить их на эволюционные ветви. Такой генетический штрихкод можно сравнить с отпечатками пальцев. Он характерен для каждой линии, а результат воспроизводится в разных лабораториях», — объясняет Евгений Воробейчик.
В исследованном материале ученые обнаружили четыре генетические линии. Одну из них, получившую обозначение L-East, описали впервые. Она распространена в восточной части Евразии. Различия между линиями настолько велики, что позволяют надежно распознавать их по ДНК, но недостаточны для формального выделения отдельных видов: видимых морфологических признаков, по которым их можно было бы различить, пока не найдено.
Главный результат проявился при сопоставлении участков. Линия L2 встречалась только в чистом лесу. Линию L1, напротив, нашли исключительно в зоне наиболее сильного загрязнения. Еще две присутствовали по всему исследованному градиенту. Получилась резкая и закономерная картина: по мере приближения к заводу чувствительный вариант исчезал, а более устойчивый занимал его место.
Всего проанализировали несколько десятков особей — не очень много для подробного описания всей генетической структуры популяций. Но разделение оказалось настолько четким, что статистическая проверка практически исключила случайность. Вероятность получить такое распределение спонтанным образом составила меньше одной десятитысячной.
В самой работе не прослеживалась смена линий во времени. Исследователи сравнили территории, различающиеся по уровню многолетнего загрязнения. Обнаруженное распределение они рассматривают как результат постепенного замещения чувствительных генетических вариантов более устойчивыми под действием естественного отбора.
Предыдущие лабораторные эксперименты уже показали, что линия L1 лучше переносит соли меди и свинца, чем чувствительная L2 и одна из двух линий, встречающихся во всех зонах. Кроме того, она оказалась устойчивее к высокой температуре и высушиванию. Возле завода это может давать двойное преимущество: почва там не только загрязнена тяжелыми металлами, но и сильнее прогревается, а из-за разреженной растительности быстрее теряет влагу.
Конкретные гены, отвечающие за устойчивость, в этой работе не исследовали. Известно, что тяжелые металлы нарушают работу ферментов, повреждают клеточные мембраны и вызывают окислительный стресс. Более выносливые организмы могут эффективнее выводить металлы из клеток, связывать их в безопасные комплексы или быстрее устранять повреждения. У разных генетических линий эти системы, по-видимому, работают неодинаково.
«Отдельные животные не «привыкают» к загрязнению в течение жизни. Они рождаются с определенными наследственными свойствами. Токсичная среда действует как фильтр: менее устойчивые особи чаще погибают или оставляют меньше потомства, а более устойчивые постепенно получают преимущество. Этот процесс идет на протяжении многих поколений. В результате в чистом лесу и возле завода мы видим разные варианты одного и того же вида», — рассказывает Евгений Воробейчик.
Подобный механизм хорошо известен по промышленному меланизму у бабочек. В районах, где стволы деревьев темнели от сажи, птицы чаще замечали светлых насекомых, и преимущество получали темные формы. В случае с коллемболами фильтром стала не окраска окружающей среды, а токсичность почвы.
Обычный учет показал бы, что Parisotoma notabilis многочисленна и в чистом лесу, и рядом с предприятием. Отсюда можно было бы сделать вывод, что вид хорошо переносит загрязнение. Генетический анализ открыл скрытый слой изменений: исходное разнообразие сократилось, чувствительная линия исчезла, а ее место заняла более устойчивая, хотя общая численность животных почти не изменилась. Поэтому увеличение доли линии L1 исследователи рассматривают как перспективный показатель ухудшения состояния почвы. Прежде чем использовать его как универсальный индикатор, закономерность предстоит проверить на других территориях и при воздействии разных источников загрязнения. Однако сама работа показывает, что присутствия вида и подсчета его численности иногда недостаточно для оценки состояния экосистемы. Внешне она может казаться стабильной, хотя внутри популяций уже произошли глубокие изменения.
Результат имеет значение и для лабораторной оценки токсичности. Такие испытания часто проводят на культурах организмов, которые легко разводить. Нередко они происходят из нарушенных местообитаний и уже обладают повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям. Если генетическая линия неизвестна, результаты опытов в разных лабораториях могут плохо совпадать, а опасность вещества окажется заниженной.
Авторы работы предлагают использовать в биотестировании генетически сертифицированные линии. В идеале воздействие вещества следует одновременно проверять на чувствительном и устойчивом вариантах. Тогда исследователь сможет оценить не только среднюю реакцию вида, но и диапазон возможных последствий для разных популяций.
Остается открытым вопрос, сможет ли прежняя генетическая структура восстановиться вслед за почвой. Выбросы завода резко сократились более десяти лет назад, но накопленные с начала его работы тяжелые металлы выводятся из почвы очень медленно. В наиболее загрязненной зоне до сих пор преобладает устойчивая линия. Чувствительные варианты могли сохраниться в небольших убежищах, например, внутри валежных стволов или возле лесных ручьев, где условия отличаются от окружающей территории. Подобные «оазисы» уральские экологи прежде обнаруживали для более крупных почвенных животных. Если такие убежища существуют и для коллембол, со временем они могут стать источниками расселения.
Возможен и другой сценарий. Даже после очищения среды измененный состав популяции может сохраняться как эволюционный след прежнего загрязнения. Экологи называют это гистерезисом: система не обязательно возвращается к исходному состоянию тем же путем, которым из него вышла.
«Мы пока не знаем, восстановится ли прежнее соотношение линий. Возможно, чувствительные варианты постепенно вернутся. Но не исключено, что генетическая перестройка сохранится в течение жизни нескольких поколений исследователей. Уповаю на успехи медицины, чтобы лично узнать, какой из этих сценариев реализуется», — шутит Евгений Воробейчик.
Вадим МЕЛЬНИКОВ