Белые медведи адаптируются к изменению климата на генетическом уровне, что может помочь им избежать вымирания.

Белые медведи, переселившиеся на юго-восток Гренландии, где климат более теплый, демонстрируют другие генетические данные. Тони Кэмпбелл/Shutterstock

Течение в Северном Ледовитом океане достигло самой высокой температуры за последние 125 000 лет, и температура продолжает расти. Из-за потепления ожидается, что к 2050 году более двух третей белых медведей вымрут, а к концу этого века они полностью исчезнут.

Однако в нашем новом исследовании мои коллеги и я обнаружили, что изменение климата вызывает изменения в геноме белых медведей, что потенциально позволяет им легче адаптироваться к более теплым местам обитания. При условии, что эти белые медведи смогут найти достаточно пищи и партнеров для размножения, это означает, что они потенциально могут выжить в этих новых сложных климатических условиях.

Мы обнаружили тесную связь между повышением температуры в юго-восточной Гренландии и изменениями в ДНК белых медведей. ДНК — это инструкция, содержащаяся в каждой клетке, которая определяет, как растет и развивается организм. В процессах, называемых транскрипцией и трансляцией, ДНК копируется для генерации РНК (молекул, отражающих активность генов), что может привести к производству белков и копий транспозонов (ТЭ), также известных как «прыгающие гены», которые являются подвижными фрагментами генома, способными перемещаться и влиять на работу других генов.

В ходе нашего недавнего исследования мы обнаружили, что в северо-восточных регионах Гренландии наблюдаются значительные различия в температуре по сравнению с юго-восточными регионами. Наша команда использовала общедоступные генетические данные о белых медведях, полученные исследовательской группой Университета Вашингтона (США), для подтверждения результатов нашего исследования. Этот набор данных был сформирован на основе образцов крови, взятых у белых медведей в северной и юго-восточной частях Гренландии.

Наша работа основывалась на исследовании Вашингтонского университета, в ходе которого было обнаружено, что юго-восточная популяция белых медведей Гренландии генетически отличается от северо-восточной популяции. Было установлено, что юго-восточные медведи мигрировали с севера и оказались в изоляции и отделении примерно 200 лет назад.

Исследователи из Вашингтона извлекли РНК из образцов крови белых медведей и секвенировали ее. Мы использовали это секвенирование РНК, чтобы изучить экспрессию РНК — молекул, которые действуют как посредники, показывая, какие гены активны в зависимости от климата. Это дало нам подробную картину активности генов, включая поведение ТЭ. Температуры в Гренландии тщательно отслеживаются и регистрируются Датским метеорологическим институтом. Поэтому мы связали эти климатические данные с данными РНК, чтобы изучить, как изменения окружающей среды могут влиять на биологию белых медведей.

Влияет ли температура на что-либо?

Наш анализ показал, что температуры на северо-востоке Гренландии были более низкими и менее изменчивыми, в то время как температуры на юго-востоке колебались и были значительно более высокими. На рисунке ниже представлены наши данные, а также показано, как температура варьируется по территории Гренландии, с более теплыми и изменчивыми условиями на юго-востоке. Это создает много проблем и изменений в среде обитания белых медведей, живущих в этих регионах.

На юго-востоке Гренландии кромка ледяного покрова, которая составляет 80 % территории Гренландии, быстро отступает, что приводит к огромной потере льда и среды обитания.

Потеря льда является серьезной проблемой для белых медведей, поскольку это сокращает количество мест для охоты на тюленей, что приводит к изоляции и нехватке пищи. Северо-восток Гренландии представляет собой обширную плоскую арктическую тундру, в то время как юго-восток Гренландии покрыт лесной тундрой (переходная зона между хвойным лесом и арктической тундрой). Климат юго-востока характеризуется высоким уровнем осадков, ветрами и крутыми прибрежными горами.

Температура по всей Гренландии и места обитания медведей

Визуализация данных автора с использованием данных о температуре от Датского метеорологического института. Местонахождение медведей на юго-востоке (красные значки) и северо-востоке (синие значки). CC BY-NC-ND

Как климат меняет ДНК белых медведей

Со временем последовательность ДНК может медленно меняться и эволюционировать, но стресс окружающей среды, такой как потепление климата, может ускорить этот процесс.

ТЭ похожи на кусочки пазла, которые могут перегруппироваться, иногда помогая животным адаптироваться к новой среде. В геноме белого медведя примерно 38,1 % генома состоит из ТЭ. ТЭ бывают разных семейств и имеют немного разное поведение, но по сути все они являются подвижными фрагментами, которые могут случайным образом вставляться в любую точку генома.

В геноме человека 45 % состоит из ТЭ, а в растениях это может быть более 70 %. Существуют небольшие защитные молекулы, называемые РНК, взаимодействующие с piwi (piRNA), которые могут подавлять активность ТЭ.

Несмотря на это, когда стресс окружающей среды слишком силен, эти защитные piRNA не могут справиться с инвазивными действиями ТЭ. В ходе нашей работы мы обнаружили, что более теплый климат юго-востока привел к массовой мобилизации этих ТЭ по всему геному белого медведя, изменив его последовательность. Мы также обнаружили, что эти последовательности ТЭ выглядели более молодыми и более распространенными у медведей юго-востока, причем более 1500 из них были «активированы», что указывает на недавние генетические изменения, которые могут помочь медведям адаптироваться к повышению температуры.

Некоторые из этих элементов пересекаются с генами, связанными с реакцией на стресс и метаболизмом, что указывает на их возможную роль в адаптации к изменению климата. Изучая эти прыгающие гены, мы обнаружили, как геном белого медведя адаптируется и реагирует в краткосрочной перспективе на стресс окружающей среды и потепление климата.

Наше исследование показало, что некоторые гены, связанные с тепловым стрессом, старением и метаболизмом, ведут себя по-разному у популяции белых медведей юго-востока. Это говорит о том, что они, возможно, приспосабливаются к более теплым условиям. Кроме того, мы обнаружили активные прыгающие гены в частях генома, которые участвуют в процессах, связанных с переработкой жира, что важно в условиях нехватки пищи. Это может означать, что белые медведи на юго-востоке постепенно приспосабливаются к более грубой растительной диете, которую можно найти в более теплых регионах. Северные популяции медведей питаются в основном жирными тюленями.

В целом, изменение климата меняет среду обитания белых медведей, приводя к генетическим изменениям, в результате чего юго-восточные медведи эволюционируют, чтобы выжить в новых условиях и с новым рационом. Будущие исследования могут включать другие популяции белых медведей, живущих в сложных климатических условиях. Понимание этих генетических изменений помогает исследователям понять, как белые медведи могут выжить в условиях потепления климата и какие популяции находятся в наибольшей опасности.