Животным, обитающим в высокогорьях, приходится выживать в экстремальных условиях: с низкими температурами, низким уровнем кислорода и сильным ультрафиолетовым излучением. За исключением адаптации к гипоксии, мало что известно о том, как проходит приспособление к таким неблагоприятным факторам. Разгадать эту тайну на примере сокола балобана попыталась международная группа ученых, опубликовавшая результаты своего исследования в научном журнале Nature Communications. Среди авторов статьи – два сотрудника Института экологии растений и животных УрО РАН, кандидаты биологических наук Василий и Александр Соколовы.

Цинхай-Тибетское нагорье расположено на юго-западе Китая и занимает территорию около 2,5 млн кв. км. Средняя высота над уровнем моря составляет более 4 000 м, из-за чего территорию называют «третьим полюсом мира». Климат там действительно похож на арктический, но параллели между этими двумя регионами проявляются еще и в схожих адаптациях у живущих там животных: густая шерсть, большой размер тела и др. Ученые из Китая, Монголии, Словакии, России, Австралии и Великобритании впервые проследили на генетическом уровне, как животные из Арктики повлияли на адаптивную эволюцию своих родственников на Цинхай-Тибетском плато.

Сокол балобан, типичная хищная птица этого нагорья, широко распространен и в материковых районах Евразии и Северной Африки. Его родственник, кречет, в настоящее время населяет тундры и лесотундры в арктических и субарктических регионах. Исследование показало, что более 20 % генома у восточной популяции балобана происходит от интрогрессии с кречетом, т. е. от проникновения в генетический фонд балобана генов кречета в результате естественного скрещивания.

Ученые смоделировали историческую среду обитания этих двух хищных птиц и обнаружили, что во время последнего ледникового максимума кречеты мигрировали из северных регионов на юг Сибири, где спаривались с балобанами. Популяционно-генетический анализ позволил выстроить следующую возможную хронологию: 1) 38–78 тыс. лет назад балобаны постепенно расселились из Центральной Европы в Восточную Азию, в частности, в Монголию, близко к южной границе Сибири; 2) во время последнего ледникового максимума, 16–25 тыс. лет назад, кречеты переместились из Арктики в южную Сибирь; 3) 8–12 тыс. лет назад балобаны, прошедшие через гибридизацию с кречетом, колонизируют Цинхай-Тибетское нагорье.

Также был систематически исследован генетический механизм того, как животные нагорья адаптируются к низким температурам, гипоксии и сильному ультрафиолетовому излучению.

Живущий на плато балобан крупнее и тяжелее, чем его собрат из западной популяции. Это соответствует известному в биологии правилу Бергмана, гласящему, что размер тела теплокровных животных в холодном климате больше, чем в теплом. Исследователи обнаружили два родственных гена интрогрессии, SCMH1 и SCARB1, в геноме восточного балобана. Первый ген – интрогрессивный фрагмент интрона SCMH1 – приводит к увеличению размера тела сокола. Второй ген SCARB1, содержащий инфильтрирующую аминокислотную мутацию SR-B1 P121L, оказывается полезен для высокогорных хищников, так как выводит больше холестерина из крови и уменьшает негативный эффект увеличения липидов в рационе.

Для исследования адаптации к низкому содержанию кислорода в условиях высокогорья использовался трехмерный анализ генома и транскриптома. В результате ученые выяснили, что регуляторные элементы гена гемоглобина воздействуют на сам ген таким образом, что организм птицы в ответ на гипоксию начинает больше вырабатывать этот железосодержащий белок, чтобы наиболее эффективно снабжать кислородом ткани и органы.

Адаптация к УФ-излучению также обусловлена генетически. За синтез пигмента эумеланина, защищающего организм от избытка ультрафиолета, отвечает участок гена ASIP. Изменения в нем способствуют большей выработке пигмента и, как следствие, лучшей защищенности сокола балобана от солнечной радиации.

Источник: УрО РАН.
Текст: Павел Киев.