Обнаруженная в воде ДНК раскрыла тайну гигантских китовых акул

Что 30 литров морской воды могут сказать нам про акул?

Оказалось, что генетический материал, обнаруженный в морской воде, может раскрыть некоторые тайны этих загадочных морских существ.

Результаты нового исследования, опубликованные 21 ноября 2016 года в "Журнале естественной экологии и эволюции" (Nature Ecology & Evolution), представляют собой настоящий научный прорыв в области использования ДНК окружающей среды, которая является генетическим материалом, взятым в пробах почвы, донных отложений и морской воде.

Не утруждая себя изучением одной акулы, авторы нового революционного исследования смогли получить важную информацию о находящихся под угрозой исчезновения видах акул по их ДНК, содержащихся в пробах морской воды.

Экологическая ДНК (eDNA) - изучение китовых акул

Люди и другие животные оставляют образцы своей ДНК всюду, где они бывают. И акулы не отличаются от них.

Ведущий автор исследования Ева Эджлинг Сигсгаард из Университета Копенгагена пояснила, что акулы оставляют в воде фекалии, мочу и отслоившиеся чешуйки кожи - именно это и служит генетическим материалом для научных исследований.

Китовые акулы (лат. Rhincodon typus) - это самые крупные в мире рыбы, достигающие длины 18 метров и веса до 20 тонн. Прозвище "нежных гигантов" они получили за малоподвижный образ жизни и дружелюбное отношение к человеку, так как являются планктоноядными хищниками.

Долгое время китовие акулы оставались вне поля зрения учёных: их встречали лишь моряки, плававшие в тропических морях, и их рассказы способствовали распространению поверий о морских чудовищах.

И даже сейчас об этом хищнике мало известно за пределами узкого круга специалистов: это объясняется как малой численностью китовых акул, так и гигантским размером, осложняющим транспортировку.

Китовая акула встречается в тёплых водах Мирового океана и относится к редким видам: за последние десятилетия её популяция значительно сократилась. Их текущая численность точно не установлена.

Поскольку китовые акулы совершают далёкие миграции, следуя за планктоном, и предпочитают держаться вдали от берегов, об их биологии известно совсем немного.

Для того, чтобы узнать о китовых акулах больше, исследователи применили революционный метод: изучение так называемой экологической ДНК (environmental DNA или eDNA).

Такой метод уже успешно используется при изучении ископаемых животных, и он же открывает широкие возможности применительно к редким видам современных представителей фауны.

Этим и воспользовались морские биологи.

Одним из любимых мест китовых акул является Персидский залив, где они сезонно собираются в крупные стаи в поисках пищи.

Узнав о наличии крупной популяции китовых акул (более 300 особей) в водах Катара, в 80 км от побережья Персидского залива, учёные отправились в экспедицию.

Исследователь из катарской нефтедобывающей компании "Маерск Ойл", Штефен Санвиг Бах, выступил соавтором исследования.

Сбор образцов ДНК и анализ генетического материала

Сигсгаард, Бах и команда биологов собрали 20 образцов морской воды на общий объём 30 литров из Персидского залива.

Из образцов воды мы выделили взвешенные в них клетки кожных покровов и клетки, попавшие в воду с фекалиями и мочой - как китовых акул, так и других морских животных, - рассказывает Ева.

Выделив и отсеквенировав всю ДНК, содержащуюся в этих клетках, мы отобрали и проанализировали последовательности, принадлежащие китовым акулам.

Выделенной из воды ДНК оказалось достаточно для того, чтобы отсеквенировать участки митохондриального генома и установить, к каким гаплотипам митохондриальной ДНК относятся образцы.

Другими словами, с помощью ДНК учёные сравнили изучаемые образцы с генетическими данными, ранее полученными от других особей китовых акул в различных местах земного шара. Частота совпадений данных неразрывно связана с темпами размножения, которые являются индикатором численности населения этих хищниц.

Оказалось, что скопление акул в Персидском заливе относится к индо-тихоокеанской популяции китовых акул (китовые акулы делятся на две основные популяции: индо-тихоокеанскую и атлантическую).

Также полученных данных оказалось достаточно для оценки количества репродуктивных самок в мировой популяции китовых акул. Оказалось, что число женских особей составляет около 71 тысячи, что совпало с оценками, полученными на основе анализа обычных образцов ткани.

Генетическое разнообразие, которое мы находим в образцах воды, представляет собой эффективный способ измерения популяции – число репродуктивно активных особей, по нашим расчётам – более 70 000 самок, – заявила Сигсгаард.

Как мы видим, агрегация акул Катара принадлежит к числу индо-тихоокеанской популяции, и мы ожидаем, что эта оценка отражает всю картину индо-тихоокеанского населения китовых акул.

Райан Келли, доцент университета Вашингтона по вопросам морской и окружающей среды, проводил схожие исследования с использованием метода анализа ДНК.

Он сказал, что Сигсгаард и её коллеги раздвинули границы того, что можно сделать с экологической ДНК акулы.

Новое исследование представляет собой инновационную идею и даёт повод для дальнейшего разговора среди тех, - и я отношу себя к их числу, - кто заинтересован в продвижении генетики из лаборатории в реальный мир, - добавил Райан.

Учёные извлекли из морской воды клетки кожи и фрагменты экскрементов акул. Опираясь на некоторые известные группы генов, они выявили ДНК, принадлежавшую именно акулам.

Возможности, казалось бы, безграничны. Они включают в себя изучение популяций морских видов, находящихся под угрозой исчезновения, выявление инвазионных видов, мониторинг воздействия изменения климата на популяции и многое другое.


Теперь исследователи могут даже разгадать какие-то давние тайны, например, что именно скрывается в Шотландии в знаменитом на весь мир озере Лох-Несс.

Если то чудовище - реальное животное, живущее там, то оно может быть обнаружено при помощи анализа его ДНК в воде.

Сейчас исследовательская группа придерживается предложенной стратегии исследования в водах Катара. Они пытаются обнаружить китов, морских змей, черепах, рыб и других акул, используя метод извлечения образцов их ДНК из проб морской воды.

ДНК в воде имеет ограниченный срок сохранности, - рассказал автор исследования Филипп Френсис Томсен, доцент в университете Копенгагена.

Поскольку eDNA разрушается под воздействием ультрафиолета и микробов всего за несколько дней (максимум, 1-2 недели), полученные образцы могли принадлежать только недавно проплывавшим мимо особям.

Таким образом, этот фактор даёт возможность понять, где находятся животные, ДНК которых может переноситься с океанскими течениями.

Количество китовых акул в мире

Китовая акула - редкий вид, численность которого и раньше не была велика, а в последние десятилетия постоянно сокращается.

Основной угрозой долгое время была добыча этой акулы рыбаками стран Южной и Юго-Восточной Азии, где мясо китовой акулы активно употребляется в пищу.

Наиболее ценным в этом виде акул является большой спинной плавник, цена за который на чёрном рынке может доходить до 10 тысяч долларов.

Несмотря на запрет промысла китовой акулы, восстановление поголовья идёт очень низкими темпами, по причине как медленного воспроизводства, так и продолжающегося вылова, в том числе браконьерского.

Общая численность китовых акул на планете составляет 100-200 тысяч особей.

Пятнистые хищницы собираются в крупные скопления только в определённых местах и в определённые периоды времени.

Так, в феврале 2016 года в Мексиканском заливе была зафиксирована группа хищниц численностью 1000-1500 особей. Предполагается, что акулы сплываются к местам кормёжки и размножения.

Оценки мировой численности хищниц проводятся по меченым экземплярам, по подсчёту групп акул в определённых районах, по фотоидентификации отдельных особей в серии наблюдений.

Данные по миграциям акул и мтДНК (митохондриальных ДНК) свидетельствуют об относительной изолированности двух основных популяций Мирового океана: в тёплых водах Атлантики и западной части Индо-Тихоокеанского региона.

Такое изоляционное разделение и без того малой численности этих акул снижает шансы на выживание этого уникального вида морского животного.

Печальная статистика свидетельствует о том, что атлантическая агрегация миролюбивых гигантов уменьшилась с 2000 года примерно на 30%, а тихоокеанская - по разным оценкам на 60–80%.

Так что специалистам, занятым сохранением китовых акул, полезно иметь более определённое представление о генетическом разнообразии вида.

Результаты исследования и возможности eDNA

До сих пор все работы в популяционной генетике китовых акул были основаны на анализе образцов тканей, полученных от выловленных рыб.

Поскольку такой метод исследований не совсем подходит для изучения вымирающих и труднодоступных видов, биологи решили применить метод метагеномики - то есть секвенировании всей ДНК, полученной из образца окружающей среды (environmental DNA - eDNA).

Данное исследование 2016 года - первый серьёзный опыт работы с ДНК из окружающей среды.

На основе полученных данных учёные оценили количество способных к зачатию самок в популяции - примерно 71 тысяча особей. Кроме того, выяснилось, что китовые акулы Персидского залива генетически ближе к индо-тихоокеанской группе, чем к атлантической.

Индо-тихоокеанская часть Мирового океана включает в себя тропические воды Индийского океана, Западного и Центрального Тихого океана, а также морей, соединяющих эти океаны в районе Индонезии, - пояснил Томсен.

В этой зоне много тунца, но китовые акулы не охотятся на него. Их главной целью является его икра, которой они питаются.


Вот здесь-то нам и пригодился метод eDNA.

Он полезен для построения моделей трофических связей типа "хищник-жертва", когда требуется определить количественные данные по разным видам животных. Мы измеряли количество ДНК акул в пробах воды и сопоставляли их с ДНК тунца в тех же водах.

Считается, что китовая акула поедает икру тунца, поэтому появляется в местах икрометания этой массовой пелагической рыбы.

Можно ожидать, что обилие тунца и акул связано прямой зависимостью - чем больше в акватории тунца, тем больше там и китовых акул.

Таким образом, первые результаты исследования уже дали бесценные сведения: специалисты смогли обнаружить, по крайней мере, две мировых популяции китовых акул, близких генетически, но имеющих свои различия.

Метод также позволяет точнее подсчитать численность самых больших на планете рыб и понять схему их распространения по планете.

По мере того, как методы секвенирования ДНК становятся точнее и дешевле, метагеномика применяется во всё большем числе исследований.

Так, метагеномный анализ содержимого кишечника жуков-навозников позволил определить видовой состав млекопитающих в данном районе, а метагеномный анализ кишечного содержимого древних мумий - найти гены устойчивости к антибиотикам.

Метод анализа ДНК в воде уже был использован для оценки популяции многих других видов – животных, рыб, земноводных, птиц, насекомых и ракообразных в различных пресноводных акваториях.

В морской воде он был использован для оценки популяции рыб, тюленей, китов и птиц.

Его применение для изучения акул обладает огромным потенциалом, так как эти морские хищники являются сложными и опасными для исследования в связи с широким диапазоном обитания и особенностями хищнического поведения.

Теперь мы можем не гоняться за акулами со шприцем и склянкой, а просто набрать побольше воды, где они плавают, - резюмировали учёные.