Сравнение полных геномов 18 признанных видов пингвинов дает ключ к разгадке того, как они добились этого успеха – хотя и не своей привлекательности – за десятки миллионов лет благодаря колебаниям теплого и холодного климата. Он также предупреждает, что сегодняшний быстро меняющийся климат может оказаться для них слишком трудным.
«Мы можем показать, как пингвины смогли диверсифицироваться, чтобы занять невероятно разные термальные среды, в которых они живут сегодня, от 9 градусов Цельсия (48 F) в водах вокруг Австралии и Новой Зеландии до отрицательных температур в Антарктиде и других странах. до 26 градусов (79 F) на Галапагосских островах », – сказала Раури Боуи, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли и куратор Музея зоологии позвоночных (MVZ) в Беркли. «Но мы хотим подчеркнуть, что пингвинам потребовались миллионы лет, чтобы занять такие разнообразные среды обитания, и со скоростью потепления океанов пингвины не смогут адаптироваться достаточно быстро, чтобы успевать за ними. изменение климата."
Исследователи убедительно установили, что пингвины возникли в прохладных прибрежных районах Австралии и Новой Зеландии, а не в холодной Антарктиде, как думали многие ученые, и они указывают на происхождение пингвинов примерно 22 миллиона лет назад.
Несмотря на их успех в широком распространении по Южному полушарию, многие популяции пингвинов в настоящее время находятся под угрозой исчезновения. Гнездовые колонии императорских пингвинов в Антарктиде были вынуждены переехать из-за отступающего морского льда, а в прошлом году на континенте произошла массовая гибель птенцов пингвинов Адели.
Популяции пингвинов на Галапагосских островах сокращаются по мере того, как теплые явления Эль-Ниньо становятся более частыми. В Новой Зеландии популяции маленьких и желтоглазых пингвинов должны быть ограждены, чтобы защитить их от нападений диких кошек, в то время как популяции африканских пингвинов резко сокращаются по мере того, как вода в южной части Африки нагревается.
«За миллионы лет мы видели, что разнообразие пингвинов уменьшалось с повышением температуры, но это было в долгосрочной перспективе», – сказала Джулиана Вианна, доцент кафедры экосистем и окружающей среды Папского католического университета Чили в Сантьяго. "В настоящее время изменения климата и окружающей среды происходят слишком быстро, чтобы некоторые виды могли отреагировать на изменение климата."
Вианна – первый автор статьи с Боуи и другими коллегами, описывающей свои открытия, которая будет опубликована в Интернете на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Откуда пришли пингвины?
Для исследования Вианна, Боуи и ее коллеги из музеев и университетов по всему миру собрали образцы крови и тканей 22 пингвинов, представляющих 18 видов, а затем секвенировали и проанализировали их полные геномы, чтобы составить карту движения и диверсификации пингвинов на протяжении тысячелетий.
Их выводы разрешают несколько давних вопросов: в частности, откуда появились пингвины – вдоль побережья Австралии, Новой Зеландии и близлежащих островов южной части Тихого океана – и когда – 22 миллиона лет назад. Генетические данные показывают, что предки королевских и императорских пингвинов, двух крупнейших видов, вскоре отделились от других пингвинов и переселились в субантарктические и антарктические воды соответственно, предположительно, чтобы воспользоваться обильными пищевыми ресурсами. Этот сценарий согласуется с оспариваемой гипотезой о том, что императорские и королевские пингвины – единственные два вида в роду Aptenodytes – являются сестринской группой по отношению ко всем другим линиям пингвинов.
«Было очень приятно иметь возможность разрешить филогенез, который обсуждался долгое время», – сказал Боуи. «Споры вращались вокруг того, где именно императорские и королевские пингвины были помещены в генеалогическое древо, вложены ли они внутри дерева ближе к другим линиям пингвинов или являются ли они сестрами всем другим пингвинам, что и является нашей филогенетикой. показал, и некоторые другие предыдущие исследования предложили.
И это соответствует богатой ископаемой истории пингвинов."
Другие пингвины разнообразились и широко распространились по южным океанам после того, как около 12 миллионов лет назад был полностью открыт пролив Дрейка между Антарктидой и южной оконечностью Южной Америки. Открытие ускорило антарктическое циркумполярное течение по часовой стрелке, что позволило этим нелетающим птицам плавать с океанскими течениями по всему южному океану, заселяя как холодные субантарктические острова, так и более теплые прибрежные районы Южной Америки и Африки, где они населяли береговые линии. и отдаленные острова с холодной, восходящей, богатой питательными веществами водой.
Сегодня пингвины встречаются в Австралии и Новой Зеландии (желтоглазые, маленькие и другие хохлатые пингвины), Антарктиде (император, Адели, папуас и антарктический ремень), на тропическом западном побережье Южной Америки (Галапагосские острова и Гумбольдт), на южном побережье Южная Америка (магеллановы и южные рокхоппер), Южная Атлантика (магеллановы и макароны), южная часть Африки (африканские) и некоторые субантарктические (король, папуас и макароны), острова Индийского океана (восточные рокхоперы) и субтропические регионы. (северный рокхоппер).
Используя мощные методы анализа, некоторые из которых недавно были разработаны для анализа исторических взаимодействий между людьми и нашими родственниками неандертальцев и денисовцев, исследователи смогли определить, что несколько групп пингвинов скрещивались на протяжении своей эволюционной истории. Благодаря обмену генетическим материалом пингвины могли иметь общие генетические черты, которые способствовали диверсификации пингвинов в условиях крутых температурных градиентов и градиентов солености, встречающихся в южных океанах. Наиболее гибридными являются пингвины рокхоппер и их близкие родственники, которые пережили как минимум четыре интрогрессии или передачи генетической информации в течение миллионов лет.
Команда также определила генетические адаптации, которые позволили пингвинам процветать в новых и сложных условиях, включая изменения в генах, ответственных за регулирование температуры тела, что позволило им адаптироваться к отрицательным температурам в Антарктике, а также к тропическим температурам вблизи экватора; потребление кислорода, позволяющее совершать более глубокие погружения; и осморегуляция, чтобы они могли выжить в морской воде без необходимости искать пресную воду.
Новые аналитические инструменты помогли исследователям сделать выводы о размерах древних популяций пингвинов, насчитывающих около 1 миллиона лет. Они обнаружили, что большинство видов пингвинов увеличилось до своей максимальной численности по мере того, как мир охладился от 40 000 до 70 000 лет назад во время последнего оледенения – многие виды предпочитают размножаться на снегу и льду, – а численность некоторых из них увеличилась во время предыдущего периода оледенения. 140000 лет назад.
Популяции двух видов – папуас и галапагосские – сокращаются по крайней мере в течение последнего миллиона лет.
ДНК самых изолированных птиц на Земле
Вианна имеет давние исследовательские проекты по пингвинам в Чили и Антарктиде, и для этого исследования взяла образцы крови многих видов в этих районах. Коллеги из Франции, Норвегии, Бразилии, Австралии, США и Южной Африки предоставили кровь некоторых отдаленных видов – например, норвежские коллеги предоставили кровь антарктического пингвина с островов Буве, – в то время как Вианна и Боуи получили образцы крови из Африканский пингвин в колонии Калифорнийской академии наук в Сан-Франциско.
Но некоторые виды было труднее найти.
Исследователи были вынуждены полагаться на ткань сохранившегося экземпляра желтоглазого пингвина из MVZ Калифорнийского университета в Беркли, в то время как Американский музей естественной истории в Нью-Йорке предоставил ткани из сохранившихся прямостоячих и фьордландских пингвинов.
Каждый геном был секвенирован 30 раз с помощью секвенирования с дробовиком Illumina, в результате которого были получены крошечные кусочки – около 150 пар оснований – всего генома.
Вианна, которая в то время работала с Боуи в Калифорнийском университете в Беркли в творческом отпуске, кропотливо выровняла каждую часть по эталонному геному, который ранее был секвенирован – геному императорского пингвина – в качестве основы.
«Иметь эталонный геном – это все равно, что использовать крышку коробки с пазлом для сборки пазла: вы можете взять все свои супер-маленькие кусочки и согласовать их с эталонным геномом», – сказал Боуи. "Мы сделали это с каждым из этих геномов пингвинов."
Сравнение генома показало, что пингвины возникли между 21 и 22 миллионами лет назад, сужая окно в 10-40 миллионов лет, определенное ранее по ископаемым пингвинам.
Они также опровергли опубликованную в прошлом году статью, в которой предполагалось, что близкородственные королевские и императорские пингвины были родственной группой пингвинов папуа и Адели. Вместо этого они обнаружили, что королевские и императорские пингвины являются сестринской группой для всех остальных пингвинов.
Вианна и Боуи теперь имеют последовательности генома 300 отдельных пингвинов и более глубоко погружаются в генетические вариации внутри и среди разрозненных популяций пингвинов. Недавно они обнаружили новую линию пингвинов, которая ждет научного описания.
"Пингвины, безусловно, очень харизматичны", – сказала Вианна. "Но я надеюсь, что эти исследования также приведут к лучшему сохранению."
Работа поддержана Чилийским антарктическим институтом, проектом Fondecyt, GAB PIA CONICYT (ACT172065) и U.S.
Национальный научный фонд (DEB-1441652). Среди соавторов статьи – Ке Би и Синтия Ван-Клейпул из Калифорнийского университета в Беркли и Дейли Нолл из Папского католического университета Чили.