Разрушительное цунами 2011 года создало гибридных рыб и навсегда изменило их ДНК

В 2012 году в прудах, образовавшихся в Ōtsuchi после цунами предыдущего года, 38% пойманных колюшек оказались гибридами. К 2020 году эта генетическая смесь исчезла практически полностью: популяция вновь приобрела состав, который почти полностью можно отнести к Gasterosteus aculeatus, пресноводному виду. Девять лет, примерно десять поколений. Достаточно, чтобы большая часть наследуемых от другой вид вариаций постепенно стала менее частой.

Далее год за годом эта форма эволюционного эксперимента, проводимая в естественных условиях, стала объектом координированной работы группы National Institute of Genetics японских учёных. Исследование, опубликованное в Nature Ecology & Evolution, описывает один из редких случаев, когда удалось почти с самого начала наблюдать, что происходит с геном после гибридизации, произошедшей в природе.

Истоки всего гораздо крупнее интересовавших рыб. 11 марта 2011 года землетрясение Тохоку и последовавшее за ним цунами разрушили северо-восточное побережье Японии. В Ōtsuchi, в префектуре Ивате, волны достигали более десяти метров, и вместе с опусканием грунта в центре населённого пункта образовались новые пруды, питаемые пресной водой.

По мнению исследователей, цунами занесло внутрь Gasterosteus nipponicus, морскую колюшку, тогда как обратное течение воды унёс особей Gasterosteus aculeatus из рек верховьев. Эти две рыбы оказались в одной среде и скрестились. Движение животных во время цунами напрямую не наблюдалось, поэтому эта динамика остаётся реконструкцией; однако последующая гибридизация была зафиксирована.

Сформировалась гибридная популяция. Назвать её новым видом было бы довольно рано: то, что учёные наблюдали в последующие годы, почти шло в противоположном направлении.

За десять поколений вариации морской формы теряют долю

С 2012 по 2020 год группа следила за генетическим составом колюшек поколение за поколением. В первом отборе гибридов было много, включая особей, уже рожденных от последующих скрещиваний с пресноводной формой. Затем вклад генов Gasterosteus nipponicus начал уменьшаться.

Национальный институт генетики описывает результат в довольно чётких терминах: к 2020 году большая часть генетических вариаций, происходящих от морской формы, была исключена из образцов, и популяция вернулась к составу, почти полностью доминируемому Gasterosteus aculeatus.

Учёные говорят о genome-wide purging — поэтапной очистке генома от вариаций, внесённых другим видом. Это не означает, что ДНК была «удалена» внутри самих рыб. Поколение за поколением некоторые вариации, унаследованные от Gasterosteus nipponicus, становились всё реже, потому что особи, их несущие, могли иметь различные шансы на выживание, размножение или пребывание в пруду.

Первые области, которые резко сократились, оказались именно в тех участках генома, которые уже связаны с барьерами между двумя видами: выживание в пресной воде, склонность мигрировать к морю, выбор партнёра и репродуктивные трудности у гибридов мужского пола. Другими словами, зоны, связанные с основными барьерами между двумя видами, убыстряли исчезновение вариаций от Gasterosteus nipponicus.

Остаться в пруду или уйти в море

Часть объяснения, похоже, кроется в условиях, созданных tsunami. Gasterosteus aculeatus обитает в пресной воде в этой местности; Gasterosteus nipponicus же является морской колюшкой, способной мигрировать между морем и внутренними водами. В экспериментах учёных морские колюшки показали значительно более низкую выживаемость в пресной среде по сравнению с проживающей формой. В испытании на 60 особей каждого вида выжили 53 экземпляра Gasterosteus aculeatus и лишь два — Gasterosteus nipponicus.

Особи, полученные путём обратного скрещивания гибридов и колюшек пресноводной формы, позволили затем выявить некоторые участки генома, связанные именно с выживаемостью. В некоторых зонах генома вариации, происходящие от морской формы, встречались у выживших рыб реже; в других же — чаще, что наводит на мысль, что их эффект не всегда был вредным.

Существовал также возможный механизм физического исключения из популяции. Пресноводные пруды Ōtsuchi соединяются через небольшие протоки с участком солоноватой воды, а затем — с морем. В экспериментах по миграционному поведению морская колюшка Gasterosteus nipponicus демонстрировала большую склонность к движению вниз по течению, тогда как обратные скрещивания занимали промежуточную позицию. Некоторые вариации из морской формы могли таким образом становиться редкими в пруду и потому, что рыбы, их несущие, чаще уходили. Выживание и миграция объясняют часть картины. Но не всё.

Один этот случай не объясняет столь быструю потерю

Когда вариация исчезает из популяции, вовсе не обязательно прибегать к естественному отбору. Это может происходить и за счёт генетической дрейфовости: в каждом поколении одни особи плодятся чаще, другие — реже, и некоторые варианты попросту исчезают по случайности.

Исследователи сравнили то, что действительно произошло, с моделями-симуляциями, в которых частоты генетических вариаций менялись без того, чтобы какая-либо конкретная вариация была особенно выгодной или вредной. В данных и кодах, размещённых на Dryad, также тестировались сценарии с разными размерами популяции, начиная с оценки 22 485 особей.

Для каждого из 667 диагностических точек, используемых для генетического различения двух видов, группа моделировала тысячи вариантов развития вариаций в последующих поколениях. В подавляющем большинстве случаев наблюдаемое снижение вариаций от Gasterosteus nipponicus происходило быстрее, чем предсказывала чистая дрейфовая модель. Следовательно, одного дрейфа недостаточно.

Даже нескольких регионов генома с сильными эффектами оказалось недостаточно, чтобы в точности воспроизвести то, что произошло. Модели ближе к реальным данным, если вводились многочисленные генетические несовместимости, разбросанные по геному: комбинации вариантов двух видов, которые вместе могли уменьшать шансы гибридов на выживание в последующих поколениях.

Это предположение, поддерживаемое моделями, не является доказательством того, что именно эти несовместимости присутствуют у колюшек Ōtsuchi. Авторы указывают в числе ближайших шагов на более глубокый анализ генома, чтобы понять, какие механизмы привели к столь быстрому снижению вариаций от морской формы.

Цунами их перемешало, две виды не слились

Случай Ōtsuchi интересует эволюционистов потому, что позволяет наблюдать за очень короткий срок то, что обычно реконструируется лишь спустя долгое время: что происходит, когда две уже хорошо различающиеся виды внезапно начинают обмениваться генами.

Здесь контакт был жестоким и стремительным. В 2012 году почти четыре рыбы из десяти, пойманных, оказались гибридами. К десятому поколению, по 629 из 667 генетических точек, используемых для различения двух видов, вариации Gasterosteus nipponicus больше не встречались в анализируемых рыбах. Однако некоторые зоны генома всё ещё сохраняли их.

Тем временем действовали вместе выживание в пресной воде, миграционное поведение, барьеры воспроизводства и, вероятно, другие ещё не идентифицированные несовместимости. Цунами создало возможность перемешать генетические богатства двух видов. Девять лет спустя в этих прудах большая часть вариаций, принесённых морской колюшкой, уже исчезла из образцов.