Исследования адаптации растений к глобальному потеплению десятилетиями оставалась чисто теоретическими. Международная группа биологов применила сетевой подход, создав 360 независимых площадок в Европе, Северной Америке и на Ближнем Востоке. Ученые ежегодно проводили секвенирование геномов выживших растений, фиксируя изменения частоты аллелей.
Биологи проследили эволюцию растений в ответ на изменение климата по всему миру
Ученые, объединенные международным консорциумом GrENE провели масштабный пятилетний эксперимент в 30 климатических зонах. Биологи проследили за экспресс-эволюцией резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), высаженной в разных условиях — от альпийских снегов до израильских пустынь, чтобы составить модель выживания видов при резком изменении среды.
В рамках уникального эксперимента биологи из Европы, Ближнего Востока и США заложили 360 небольших участков с арабидопсисом в различных климатических условиях — от альпийских до пустынных — и оставили их на пять лет, чтобы растения либо эволюционировали, либо погибли. Artist Emma Vidal for Moisés Expósito-Alonso
Генетический дрейф. В контексте этой огромной работы необходимо различать адаптацию, вызванную естественным отбором, и дрейф генов. Эволюция через естественный отбор — это «умный» фильтр, сохраняющий полезные признаки. Генетический дрейф напоминает лотерею: в маленьких популяциях гены меняются случайно. Если полезная мутация не успевает закрепиться из-за малого числа особей, популяция гибнет.
Выяснилось, что при наличии достаточного генетического разнообразия эволюционный отклик происходит невероятно быстро — всего за три-пять лет. Популяции буквально на глазах меняли структуру ДНК, отбирая варианты, ответственные за реакцию на тепловой стресс и время цветения. Работа опубликована в журнале Science.
Белоцветковая арабидопсис, растущая на песке на пляже у побережья Балтийского моря. Это растение, относящееся к семейству крестоцветных, произрастает в самых разных климатических условиях — от альпийских до пустынных — и широко используется в лабораторных генетических экспериментах.
Но возможности природного «самоспасения» имеют предел. В самых жарких точках, имитирующих климат будущего, механизмы адаптации часто давали сбой. Вместо направленного естественного отбора там наблюдались хаотичные генетические сдвиги, за которыми следовало неизбежное вымирание. Это указывает на существование критической точки, после которой скорость изменения среды превышает эволюционный потенциал вида.
Хаос против отбора
Некоторые участки были засажены в городах, например, эта группа из 12 участков рядом с жилыми домами в Кёльне, Германия.
Исследование показало, что выживание напрямую зависит от повторяемости генетических изменений. В благоприятных для адаптации условиях разные группы растений в схожем климате демонстрировали идентичные мутации.
Соавтор работы Татьяна Белладжио отметила специфику процессов в экстремальных зонах: «В некоторых типах климата сдвигов либо не было вовсе, либо они не повторялись в независимых повторных опытах. Там происходила эволюция за счет генетического дрейфа — случайных стохастических изменений, а не под давлением естественного отбора». Такие популяции, лишенные четкого вектора развития, неизбежно сокращались и погибали в течение пяти лет.