Реагируют ли гены на глобальное потепление?

Авторские права: © 2004 Публичная научная библиотека. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Ученые продолжают спорить о том, насколько человеческая деятельность влияет на глобальное потепление, но мало кто будет утверждать, что оно существует. Международная группа экспертов по изменению климата прогнозирует, что парниковые газы повысят глобальную температуру на 3,6 градуса по Фаренгейту к 2100 году — беспрецедентный рост за последние 10 000 лет. Как может выглядеть мир, когда мы приближаемся к этой точке? Болота исчезнут. Наводнения, ураганы и засухи будут становиться все более сильными. Инфекционные заболевания увеличат свою вирулентность и ареал. Знаменитые ледники Монтаны могут исчезнуть в течение 30 лет. К 2050 году четверть видов может исчезнуть.

Хотя влияние изменения климата на географические ареалы видов и динамику популяций в некоторой степени изучено, ученые мало знают о том, как виды реагируют на изменение климата на генетическом уровне. В этом выпуске Элизабет Хэдли и ее коллеги анализируют три различных динамических процесса — изменение окружающей среды, реакцию населения и колебания генетического разнообразия — и представляют доказательства того, что изменение климата влияет на изменение генетического разнообразия.

Сосредоточившись на двух видах млекопитающих — горной полевке и северном карманном суслике, — Hadly et al. спросили, как эти два вида отреагировали на исторические изменения среды обитания, вызванные климатом, на северо-западе Вайоминга. Они собрали окаменелости в пещере Ламар в Йеллоустонском национальном парке, которая содержит сокровищницу отложений, датированных углеродом, которые отражают современное сообщество млекопитающих в этом районе. Сравнивая генетический материал, извлеченный из образцов окаменелостей в разные моменты времени за последние 3000 лет, с генетическими данными, полученными от современных животных, команда Хэдли отследила генетические изменения в популяциях двух видов и использовала эту информацию (наряду с относительной численностью ископаемых и современной плотностью популяции). для оценки изменений эффективного размера популяции с течением времени. (Эффективный размер популяции относится к числу особей, дающих генетический материал следующему поколению.Популяции с небольшой эффективной численностью, например, были бы очень уязвимы перед экологической катастрофой.) Затем генетические и демографические данные были объединены с записями об окружающей среде для анализа взаимосвязи между факторами.

Изучение этих популяций в пространстве и времени — подход, который авторы называют «филохронологией», — дает возможность проанализировать генетическое разнообразие вида на фоне колебаний окружающей среды в рамках эволюционного периода времени. Это также предполагает, как микроэволюционные силы — факторы, влияющие на генетическую изменчивость популяций в последующих поколениях, — формируют генетические реакции на изменение климата. К таким эволюционным силам относятся мутации, генетический дрейф (случайные колебания генов в небольших популяциях, возникающие в результате капризов выживания и размножения) и поток генов (изменения частоты генов в популяции, вызванные миграцией).

Слайд PowerPoint
увеличенное изображение
ТИФФ
исходное изображение

Последние 3000 лет включают в себя два периода, отмеченных резкими изменениями климата — средневековый теплый период и малый ледниковый период, которые по-разному повлияли на местные популяции млекопитающих в зависимости от их предпочтений в отношении среды обитания. Специалисты по среде обитания, полевки и карманные суслики живут во влажных горных районах западной части Северной Америки. Хотя в обоих случаях популяция увеличивалась в более влажный климат и уменьшалась в более теплые периоды, Hadly et al. предсказал, что колебания генного разнообразия двух видов будут различаться в зависимости от их различного экологического поведения. И вот что они обнаружили: генетический ответ связан с размером популяции. Карманные суслики имеют низкую плотность популяции, держатся близко к дому и яростно территориальны, в то время как полевки живут в популяциях с высокой плотностью и распространяются более широко.Для сусликов сокращение популяции привело к уменьшению разнообразия генов; для полевок, которые имеют больший эффективный размер популяции и большее рассредоточение между популяциями, сокращение популяции привело к увеличению разнообразия генов. Но какие силы лежат в основе этих различий в генетической изменчивости?

Недавнее исследование предполагает, что миграция (основной агент потока генов) наиболее распространена в участках с низкой плотностью и между участками в популяциях полевок, что предполагает поток генов как движущую силу паттернов генного разнообразия. Но авторы не исключают возможность селекции и предлагают, как решить вопрос. Хэдли и др. показывают, что филохронология открывает уникальное окно в относительно недавнее эволюционное прошлое и предлагает «возможность отделить причину от следствия». Они также пришли к выводу, что «различия в демографии видов могут вызывать разную генетическую реакцию на изменение климата, даже если экологическая реакция схожа». С повышением температуры на 3 градуса всего за последние 50 лет на американском Западе сохранение биоразнообразия вполне может зависеть от такого понимания.