Биологи из Иркутского государственного университета (ИГУ) вместе с немецкими коллегами выяснили, почему байкальским эндемичным рачкам хорошо в холодной воде (заметно лучше, чем видам-вселенцам), и почему продолжающийся рост температуры воды Байкала может негативно отразиться на их жизнедеятельности. Исследователи выяснили, что температура влияет на то, насколько активны ферменты обмена веществ рачков: у теплолюбивых активность возрастает с ростом температуры, а у холодолюбивых выше 15°С начинается ее угнетение. Это необходимо учитывать, чтобы сохранять уникальные экосистемы. Статья опубликована в журнале Scientifc Reports. Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда (РНФ).

Теплолюбивый рачок-космополит Gammarus lacustri...

Теплолюбивый рачок-космополит Gammarus lacustris (Sars, 1863). Источник: Максим Тимофеев/ИГУ

«Для нас, людей, живущих на берегах Байкала, важно знать и понимать, где и какие виды, какие сообщества падут первыми под натиском глобальных климатических изменений. Как минимум для того, чтобы своей антропогенной деятельностью дополнительно не усиливать эти процессы», — рассказывает Максим Тимофеев, доктор биологических наук, руководитель проекта по гранту РНФ, профессор ИГУ, директор Научно-исследовательского института биологии ИГУ.

Эндемиками называют специфичные для какой-то области виды, роды или другие таксоны растений и животных. Представители эндемиков обитают в относительно ограниченном ареале, иногда довольно небольшом по площади, и часто являются важнейшей частью уникальных древних экосистем. Под влиянием климатических изменений и нарастающего давления человека на природу эндемичные виды, узко-адаптированные к конкретным условиям обитания, оказываются наиболее уязвимыми. Они требует особого внимания ученых и постоянного экологического мониторинга для сохранения биоразнообразия.

Биологи из Иркутского государственного университета совместно с немецкими коллегами из институтов Объединения имени Гельмгольца уже несколько лет изучают особенности энергетического метаболизма (обмена веществ для получения энергии) ключевых видов байкальских рачков-бокоплавов, по-научному амфипод (Amphipoda).

Амфиподы — самая большая и самая разнообразная группа видов в озере Байкал (350 видов и подвидов), полностью состоящая из эндемиков. Она давно используется в качестве модельной системы для экологических и эволюционных исследований. В недавнем исследовании ученые сравнили холодолюбивый байкальский вид Eulimnogammarus verrucosus с более теплолюбивыми родственниками — байкальским эндемиком E. cyaneus и повсеместно распространенным видом-космополитом Gammarus lacustris.

«Энергетический метаболизм — ключевой процесс для живых организмов. Именно он во многом определяет температурные предпочтения для холоднокровных. Большинство современных байкальских эндемиков возникло в озере, когда оно уже было очень холодным. Поэтому в ходе своего развития байкальские эндемики выработали специфические клеточные и биохимические адаптации к этим низким температурам. Эта узкая специализация к холоду отразилась на работе метаболического аппарата: использование различных источников энергии жиров, углеводов; работы регуляторных ферментных систем наиболее эффективны именно в диапазоне низких температур», — поясняет соавтор публикации и руководитель российско-немецкого проекта РНФ, кандидат биологических наук Дарья Бедулина.

При повышении температуры чувствительные к температурам эндемики, как в случае холодолюбивого Eulimnogammarus verrucosus, оказались наиболее уязвимы: если у теплолюбивых видов активность метаболических ферментов возрастает вместе с ростом температуры, то у холодолюбивого вида уже после 15°С начинается ее угнетение. Исследователям Байкала хорошо известно, что в периоды, когда температура в прибрежной зоне Байкала достигает 15°С, взрослые особи Eulimnogammarus verrucosus массово мигрируют на глубину — туда, где попрохладнее. Теперь становятся понятны и клеточные механизмы, обуславливающие эту необходимость.

«Что же дает этот, казалось бы, частный случай, для понимания более общей картины происходящего на Байкале и прогноза на перспективу? Исследуемый холодолюбивый вид амфипод является самым массовым в зоне мелководья по всему озеру — и по численности, и по биомассе. Подобно Eulimnogammarus verrucosus, подавляющая часть фауны беспозвоночных Байкала также относится к холодолюбивым эндемикам — стенотермам с узким диапазоном оптимальных температур. Важно учитывать тот факт, что в ходе глобального изменения климата температурный режим байкальских вод меняется в сторону нагрева. Например, поверхностные воды озера за последние полвека потеплели более чем на один градус. Это мы знаем из другого исследования нашего института — проекта долговременного мониторинга пелагиали озера Байкал «Точка №1»», — поделился Максим Тимофеев.

Теплолюбивый байкальский рачок Eulimnogammarus ...

Теплолюбивый байкальский рачок Eulimnogammarus cyaneus. Источник: Максим Тимофеев/ИГУ

Важно отметить, что наибольшие риски относятся к температурному режиму мелководной прибрежной зоны озера Байкал. В последние годы учащаются случаи значительного прогрева вод и наблюдается рост средних температур на этих участках. Это может вызвать более частые и более массовые миграции доминирующих холодолюбивых эндемичных видов, что, в свою очередь, освободит экологические ниши для вселения видов уже небайкальского происхождения и потенциально может привести к значительной перестройке характера прибрежных сообществ озера. Эти риски требуют непрерывного мониторинга и адекватной оценки последствий — как на экосистемном, так и на метаболическом уровне, — у каждой группы эндемиков. Случаи проникновения нетипичных для Байкала видов и их массового распространения (а значит, и выдавливания аборигенов) уже известны. Например, улитки-прудовики лимнеиды (Lymnaeidae) уже стали вполне обычной, а порой и доминирующей группой моллюсков не только на мелководье, но и на ряде каменистых и обрывистых побережий «типичного Байкала».

«Ранее такое внедрение видов вселенцев было практически невозможно по причине адаптивного превосходства эндемиков. Однако это превосходство работает только в пределах температурных и прочих режимов, оптимальных для байкальских видов. Выход за эти пределы угнетает метаболические процессы эндемиков, и, как показано на примере Eulimnogammarus verrucosus, ведет к ослаблению конкурентоспособности этих видов и последующей утрате их адаптивных преимуществ», — говорит Максим Тимофеев.

Исследования проводились совместно с коллегами из Института полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера (Бремерхафен, Германия), Лейпцигского университета (Лейпциг, Германия), Центра экологических исследований имени Гельмгольца (Лейпциг, Германия) и Института математики и естественных наук Макса Планка (Лейпциг, Германия).