Окончательно выяснено, откуда взялись клоны мраморного рака

4 мая 2018



Исследования показывают, что экспансионистский абсолютно женский подвид Мраморного рака (Procambarus fallax подвид virginalis) возник в одном из немецких аквариумов еще в 1990-х годах.

Мраморные раки Мадагаскара родом из немецкого аквариума.

На первый взгляд, мраморный рак (Procambarus virginalis), десятиногое ракообразное среднего размера с пятнистым коричневато-зеленым панцирем, кажется довольно обычным. Но с тех пор, когда это существо впервые появилось на арене немецкой хобби-аквариумистики около двух десятилетий назад, оно создает массу проблем. Воспроизведение подвида путем клонирования исключительно женских особей было замечено в многочисленных пресноводных средах обитания в Европе, и, согласно недавнему анализу, они быстро распространяются на островной части Мадагаскара. В то время как это быстрое расширение ареала обитания у большинства вызвало беспокойство из-за способности раков изменять водные экосистемы, вытесняя местные виды, внимание некоторых исследователей сконцентрировалось на этих животных по другой причине, последних заинтересовала тайна происхождения этих существ.

Первое научное описание мраморных раков было опубликовано в начале 2000-х годов. Незадолго до этого слухи о «загадочном животном, способном воспроизводиться без самцов» начали распространяться среди интернет-сообществ аквариумистов, говорит Герхард Шольц, зоолог из Университета Гумбольдта в Германии. Эти слухи вызвали интерес у Шольца и его коллег, которые заполучили несколько таинственных существ для своей лаборатории. Как было объявлено, эти ракообразные, будучи полностью изолированными, воспроизводятся без самцов (явление, известное как партеногенез) — и у всех потомков были женские гонады. Команда назвала вновь идентифицированный организм мраморным раком, или Марморребом на немецком языке, из-за рисунка на его раковине.

Хотя партеногенез достаточно распространен среди ракообразных, это был первый известный пример репродуктивной стратегии семейства десятиногих раков, подгруппе, которая включает омаров, крабов и креветок. Сразу же исследователи осознали уровень потенциальной угрозы, которую существо может создать для водной жизни — даже единственный экземпляр, если он был введен в пресноводную среду обитания, может быстро размножиться и вытеснить местные популяции раков и рыб. Поэтому после обнародования выводов, говорит Шольц, «мы предупреждали общественность, говоря, что одно отдельное животное может колонизировать озеро или реку, потому что ему не нужно искать партнера, поэтому это может быть проблемой для окружающей среды Европы».

Все раки являются хорошими захватчиками территории благодаря целому ряду своих особенностей, говорит Брайан Рот, эколог экологического факультета Мичиганского государственного университета. Во-первых, они имеют широкие кормовые привычки, которые включают перемалывание растений, захват насекомых и некрофагию. Во-вторых, говорит Рот, раки непривередливы и к среде обитания. Оборудование для исследования и химического анализа почвы и воды показывает, что животные отлично себя чувствуют в экологически неблагоприятных местах. Кроме того, исследователи недавно обнаружили, что ракообразные могут достаточно легко адаптироваться к более холодным температурам. В США, например, красный болотный рак (P. clarkii), вид, обитающий в южных штатах, распространился на север до Великих озер.

Но способность воспроизводиться без помощи самцов позволяет P. Virginalis поднять захват территорий буквально на другой уровень. Начиная с 2005 года, исследователи начали замечать, что эти животные продаются на рынках продуктов питания на Мадагаскаре, и когда группа ученых сравнила этих существ с другими раками в регионе, обнаружилось, что у P. virginalis была «безумно высокая плодовитость», говорит Джулия Джонс, профессор биологической науки в Бангорском университете в Великобритании, которая участвовала в исследовании. «Мы были обеспокоены тем, что они распространятся очень быстро — и, конечно же, они это сделали».

Ученые следили за быстрым распространением раков, откуда, собственно, и возникла головоломка. Исследование Шольца в 2003 году дало некоторые зацепки: когда исследователи упорядочили митохондриальные гены животного, они обнаружили, что его ближайшим родственником был P. fallax, похожий на воспроизводящийся половым способом вид из Флориды. Хотя возможно, что первые мраморные раки были отправлены в Германию из США, до настоящего времени не обнаружено ни одной подобной дикой американской популяции, и некоторые ученые указывают на другую теорию — что P. virginalis зародился в неволе.

Эта последняя гипотеза проистекает из ранее известной истории появления вида мраморного рака, недавно верифицированной молекулярным биологом Фрэнком Лико из Немецкого онкологического исследовательского центра, который просматривал интернет, чтобы найти первого известного человека, обладавшего одним из клонирующихся существ.

Согласно этой истории, немецкий биолог и аквариумист приобрел сумку с ракообразными с надписью «Техасские раки» у американского торговца на ярмарке во Франкфурте в 1995 году. Он забрал животных на родину и добавил их в свой аквариум; через год у него были сотни особей, которых он распространил среди других аквариумистов. «Мы можем отследить животное до 1995 года, до покупки на выставке», — говорит Лико. «Но мы не знаем, что именно американский трейдер продал, были ли это мраморные раки или родители первых мраморных раков».

Новое исследование Лико и его коллег приводит к мысли, что первые мраморные раки не родились в дикой популяции в США, а, возможно, были зачаты в аквариуме этого немецкого биолога. После упорядочивания и анализа всего генома этих ракообразных команда обнаружила, что животное, которое обладало триплоидным геномом, как было определено ранее Шольцем и его коллегами, также имело генотип АА’Б, что означает наличие трех наборов хромосом, два из которых похожи друг на друга и один уникальный. «Мы интерпретируем геном, чтобы прояснить ситуацию, когда отец и мать были от одного и того же вида, но отдаленно связаны с разными популяциями», — говорит Лико. Кроме того, добавляет он, поскольку генетически различные группы одного и того же вида редко имеют один и тот же ареал-генетический обмен через половое размножение, это бы привело бы к относительной однородности популяции — вполне вероятно, что такая ситуация произошла в аквариуме, а не в дикой природе.

Эта гипотеза «разумна, но очень умозрительна», — говорит Шольц, который не принимал участия в этой работе. Задокументированные случаи триплоидных геномов считаются следствием, а не причиной партеногенеза, он также отмечает, что поскольку бесполое размножение может сделать потомство более восприимчивым к генетическим мутациям, организмам может быть выгодно развить три набора хромосом как «буфер» против разрушительных изменений«. Лико и его команда также сравнили геномы мраморных раков из разных регионов мира — Германии, Мадагаскара и США — и обнаружили удивительно мало генетических вариаций.

«Исходя из этого, можно сделать вывод, что вся популяция мраморных раков является клоном одной особи», — говорит Лико. «И теперь эти существа распространяется по всему миру». Действительно, когда команда изучила распространение ракообразных на Мадагаскаре, исследователи обнаружили, что с 2007 по 2017 год географический диапазон мраморных раков увеличился в 100 раз, а по последнему подсчету в марте 2017 года страна стала приютом для миллионов этих животных. Хотя продажа и хранение этих раков в настоящее время запрещены в Европе, таких ограничений еще не существует на Мадагаскаре. Там степень распространения «абсолютно шокирует», говорит Джонс, который сотрудничал с одним из нынешних авторов исследования Жанной Расами из Мадагаскарского Университета.

Хотя распутывание происхождения мраморных раков не может помочь обуздать его распространение, Лико и его коллеги надеются, что, проведя дальнейший анализ биологических особенностей этого ракообразного, они смогут лучше понять, почему это существо может столь успешно адаптироваться к разным условиям окружающей среды, несмотря на столь низкое генетическое разнообразие. «Наша гипотеза заключается в том, что адаптация облегчается эпигенетическими механизмами», — говорит Лико. Именно изучение эпигенетических факторов — изменений экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванное механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК, является следующим в повестке дня в данном исследовании.