Крошечные существа размером всего-то в несколько миллиметров – зачем нужно их изучать? Можно ли предположить, что в обычной речной воде обитают десятки, а то и сотни видов микроскопических ракообразных, имеющих свои уникальные особенности и даже стили плавания? Почему их называют самыми древними живыми гиперборейцами? О «вселенной» ветвистоусых ракообразных рассуждает Алексей Котов, член-корреспондент Российской академии наук, профессор РАН, главный научный сотрудник лаборатории экологии водных сообществ и инвазий Института проблем экологии и эволюции имени Северцова Российской академии наук.
– Алексей Алексеевич, знаю, что вы свою научную жизнь посвятили крошечным, буквально миллиметровым существам – ветвистоусым рачкам. Неужели они этого достойны?
– Да, конечно, достойны, хотя мой выбор их в качестве "дела жизни" был достаточно случаен. Это случилось на первом курсе биологического факультета, когда я пришел к Ольге Ильиничне Чибисовой, которая до этого вела кружок для школьников. Она предложила мне на выбор несколько направлений. Среди них было пресноводное направление, в которое я окунулся прямо с первого курса, то есть почти сорок лет назад.
Отбор проб воды для исследования ДНК окружающей среды зимой
Потом меня позвал в свою группу Николай Николаевич Смирнов, который работал в данном институте. У них освободилось две ставки, это был уже 1994 год, и с тех пор я занимаюсь этой тематикой. Что касается ветвистоусых ракообразных, то это один из основных модельных водных объектов фундаментальной науки. Самый известный представитель из них – это дафния, на которой чаще всего ставят разного рода эксперименты.
– Дафния – это мушка дрозофила среди гидробионтов.
– Можно сказать и так. Род дафний включает в себя около ста известных видов и много-много неизвестных. Есть еще около ста других родов, которые зачастую ведут образ жизни, весьма не похожий на дафний. Многие, например, не планктонные, они сидят на дне или ползают по каким-то растениям. Они достаточно разнообразны, и, как я уже говорил выше, это модельная группа для сразу нескольких направлений биологических наук.
Во-первых, это модельная группа для изучения биоразнообразия. К настоящему времени известно примерно восемьсот пятьдесят видов ветвистоусых ракообразных, но, по оценкам, на самом деле их примерно раза в три больше. Они распределены по всей территории Земли, хотя в основном обитают в континентальных водоемах, не любят морскую воду, при этом встречаются и виды, которые водятся в морях и океанах.
Далее, они классические объекты различных экологических, генетических и геномных исследований. Это удобно, потому что жизненный цикл у тех же дафний очень короткий, месяц-два. Поэтому мы легко можем проводить на них какие-то генетические работы. Именно дафниям посвящено 95% всех работ по ветвистоусым ракообразным.
– Ветвистоусые – что это означает? У них действительно ветвистые усы? Какую роль они выполняют?
– На самом деле усы у них – это антенны. Скорее это аналоги рук, а не усов, хотя, в отличие от рук, это придатки головы. Антенны – основной орган движения. Дафния, например, именно с помощью них плавает, делая гребные движения. Причем забавно, что эти движения можно рассмотреть с точки зрения стилей плавания. Например, есть ветвистоусые ракообразные, которые плывут баттерфляем, как дафния. А есть, например, те, которые фактически брассом плывут.
– Интересно.
Самое известное ветвистоусое ракообразное, Daphnia magna. Самец и самка в момент копуляции
– Часто антенны используются для передвижения по субстрату – они как бы ходят на антеннах по дну и с их помощью протискиваются через заросли, в которых обитают.
– Какие важные научные открытия вы сделали, исследуя этих животных?
– Наша группа занимается несколькими направлениями, и все они достаточно интересны и имеют общебиологическое значение. Например, нашей группой проведены описания древних ветвистоусых ракообразных. В том числе мы нашли и описали остатки дафний из местонахождения в Монголии, которое относится к границе юрского и мелового периодов, их возраст 145 миллионов лет. Это важная точка для калибровки молекулярных часов не только для дафний, но и вообще для всех членистоногих.
Другой наш проект, который сейчас поддержан Российским научным фондом, касается филогеографии. Подход предполагает попытки проследить историю отдельных видов и групп, в том числе и дафний, на основании генетических данных. То есть мы уже не ищем какие-то остатки ветвистоусых ракообразных, а сравниваем последовательности генов в популяциях из разных регионов планеты. На основании этих данных строим так называемые филогенетические деревья, сети гаплотипов, после чего выявляем центры расселения отдельных групп, родственные связи между различными популяциями, наличие реликтовых линий и так далее.
В результате наших работ мы пришли к выводу, что рефугиумы, то есть убежища во время холодной фазы плейстоцена, были не только на юге Евразии (что ожидалось), но и на севере. Могу без ложной скромности сказать, что наша группа в этом направлении ведущая в мире.
– То есть они выживали в холоде?
– Да, в районе современных Архангельской области и Республики Коми существовал последовательный ряд разных водоемов, где животные не вымерли в течение всего плейстоцена. Это означает, что там имелись незамерзающие водоемы в течение самых холодных периодов плейстоцена, в которых сохранялись пресноводные организмы.
Sida crystallina, обитатель прибрежной зоны, рачок проводит значительную часть времени, прикрепившись спиной к нижней стороне плавающих листьев кубышек и кувшинок
Также нашим очень важным достижением является публикация определителя ветвистоусых ракообразных Северной Евразии, по которому можно уже не генетическими методами, а на основании внешних признаков определить, кто именно перед тобой. Вообще ветвистоусыми ракообразными занимаются достаточно много исследователей уже не в области фундаментальной, а прикладной науки.
– Прикладной в каком смысле?
– Наши объекты исследований – это не только корм для рыб в утилитарном плане, их изучение – это основа любой рыбохозяйственной науки. Для этого есть специальные институты, которые ведут мониторинг зоопланктона в естественных водоемах и водохранилищах. Это делается не только в рыбохозяйственных, но и природоохранных целях.
В настоящее время мы участвуем в разработке принципиально нового подхода – это мониторинг водоемов на основании исследования ДНК окружающей среды. Для этого мы не ловим никаких животных, а просто берем пробу воды, в которой плавает ДНК. Из ее анализа мы можем уже сейчас получить список видов организмов, обитающих в этом водоеме. Сейчас мы отрабатываем эту методику, но уже идет разговор о том, чтобы эта методика впоследствии получила некое количественное воплощение. Уже сейчас на основании исследования ДНК окружающей среды делаются попытки количественно оценить население исследуемого водоема.
Это, к сожалению, очень трудно, потому что разные организмы выделяют разное количество ДНК, и дорого. Но тем не менее эти методы очень важны.
– Алексей Алексеевич, в одном из ваших интервью я прочитала, что ветвистоусые рачки являются выходцами из Гипербореи. Что это означает?
Планктон Глубокого озера (Московская область) с тремя различными представителями ветвистоусых ракообразных
– По всей видимости, некоторые их группы, действительно, северного происхождения. Подобные примеры известны для других организмов, но таких очень мало. Как я уже говорил, было выяснено, что в самое холодное время были какие-то убежища, рефугиумы на севере, из которых потом происходило расселение, в том числе на юг. И это удивительный вывод. Эта история повторяется на Дальнем Востоке, где из Беренгийской зоны, которая тоже была рефугиумом и тоже располагалась на севере Евразии, происходило заселение южных территорий, в том числе Приморья. Это весьма неожиданное заключение нашего коллектива в ходе его работ по гранту РНФ.
– То есть низкие температуры они каким-то образом выдержали. А что происходит сейчас в связи с глобальным потеплением?
– Изменения ареалов наших рачков трудно интерпретировать, потому что гораздо более важной для их перераспределения стала человеческая деятельность, которую мы не можем точно отделить от глобального потепления. В связи с антропогенным воздействием у нас действительно происходит изменение ареалов многих видов. Например, в бассейн Волги, который соединили каналами с другими бассейнами, сейчас идет поток различных чужеродных видов из Черноморского бассейна, и они продвигаются на север и, наоборот, из района Балтийского моря, и эти вселенцы продвигаются, напротив, на юг.
– Это происходит в том числе из-за расселения ракообразных?
– Да, конечно. Среди наших ракообразных есть очень вредные виды-вселенцы. Сейчас, например, некоторые подобные южные вселенцы из Понто-Каспийского бассейна проникают в Волгу, они уже вселились в Каму, и достаточно глубоко.
– А в чем их вред?
Это не чудовище, а тоже представитель ветвистоусых ракообразных – Chydorus bicornutus, фотография выполнена при помощи сканирующего электронного микроскопа
– Это хищные ветвистоусые ракообразные, которые пожирают более мелкий планктон и таким образом изменяют его структуру. Ну, например, если они будут выедать более крупных дафний, то таким образом сдвинут пропорции между численностями различных водорослей, которых, соответственно, дафнии едят. Нарушается естественный природный баланс.
Пример наиболее разрушительного вселения – это Великие озера в Северной Америке, куда случилось великое вселение нескольких чужеродных видов, в том числе и ветвистоусых ракообразных. Хищные виды выели некоторые виды "мирного" планктона и совершенно изменили водорослевой состав озер. А еще в Северную Америку вселилась в результате случайного заноса человеком (при вселении африканских рыб для их коммерческого разведения) из Африки дафния Люмхольца, ставшая особо злостным вредителем. Она размером примерно в три миллиметра, но у нее спереди на голове и сзади на створках имеются очень прочные иголки. Малек рыбы на них накалывается и погибает. Таким образом, если эта дафния попадает в рыбоводные пруды, она в них полностью выбивает всю молодь, принося ущерб рыбному хозяйству, измеряемый миллиардами долларов.
– Может ли и должен ли что-то делать человек в этой ситуации?
– Человек должен по мере сил стараться ничего не трогать, это главное. Конечно, какие-то рекомендации по этому поводу давать можно, но вообще намеренное вселение каких-то видов запрещено Конвенцией по биоразнообразию, которую наша страна подписала. У нас есть федеральный закон, в котором написано, что мы присоединились к этой конвенции, то есть должны ей следовать.
Ископаемое мезозойское ветвистоусое ракообразное Prochydorus rotundus, фотография выполнена при помощи сканирующего электронного микроскопа
– Как выглядит ваша лабораторная работа с ракообразными?
– Сначала мы собираем пробы. Методика сбора абсолютно элементарна. Если кто-нибудь из коллег едет в интересный для нас район, то ему вполне можно дать маленькую сетку, которой он наловит проб для нашего коллектива. Она фиксируется в спирту. Эти пробы, пригодные для молекулярно-генетического анализа, хранятся в холодильнике.
Проба – это маленькая баночка, и тут мы имеем замечательное преимущество перед коллегами, которые, например, занимаются изучением млекопитающих, потому что в этой баночке у нас может быть видов тридцать таких рачков. У нас сейчас хранится семь с чем-то тысяч проб, животные в которых определены до вида, а эти данные занесены в специальную базу данных. Если такое сделать с какими-то млекопитающими или рыбами, то для этого нужен даже не специальный музей, а какой-то музейный комплекс. А у нас всего несколько холодильников.
– Как часто вас удивляют эти существа?
– Они не перестают нас удивлять. По сути, наши животные – это целая вселенная, которая изучается уже очень давно, но загадок меньше не становится. С одной стороны, они совершенно незаметны. Вы приходите на водоем, и в воде как бы ничего и нет. У меня один знакомый кинул планктонную сетку, собрал пробу и говорит мне: «Я посмотрел на банку, а там нет ничего». А мы посмотрели под микроскопом – двадцать два вида! Жизнь кипит. И какая разнообразная!
