Экзотическое существо из Антарктиды пережило более 30 ледниковых периодов

Экзотическое существо из Антарктиды пережило более 30 ледниковых периодов

Ученые обнаружили крошечное животное Tullbergia, живущее под скалами во внутренних горных вершинах Антарктиды, где никто не должен, по идее, выживать. Его настойчивость переписывает историю жизни и льда по всему континенту.

Tullbergia является примитивным бескрылым родственником насекомых из подкласса мелких членистоногих Коллемболы. Мало кто слышал о коллемболах, хотя почва в вашем дворе, вероятно, таит в себе миллионы из них. Эти крохотные животные встречаются по всему миру, и несколько видов обитают в редких участках свободной ото льда поверхности, которые разбросаны по всей Антарктиде, где мало еды, кроме редких бактерий или микроскопических грибов.

Как Tullbergia и другие коллемболлы попали в эти отдаленные горы и как они пережили десятки ледниковых периодов, – это загадка, которую ученые хотят разгадать. Виды, такие как Tullbergia также расширяют наши представления о границах биологии, укрепляя представление о том, что даже самые жестокие условия на Земле часто могут поддерживать сложную жизнь животных.

Исследователи собирают образцы почвы ( 1 ), содержащие туллбергию, на осыпных склонах горы Speed ( 2 ) вдоль ледника Шеклтон в Антарктиде. Изображение: Байрон Адамс.

Иммигранты ледникового периода

Антарктида известна своими пингвинами и тюленями, но эти животные живут только на ее береговой линии, питаясь богатой пищевой сетью фитопланктона, рыбой и креветками. Эти знаковые виды не могут выжить во внутренней части континента, области, большей, чем США и Мексика вместе взятые, около 98 процентов которых покрыты ледниковыми покровами.

Но, начиная примерно с 1900 года, ученые начали обнаруживать, что свободные ото льда участки земли в километрах от побережья населены животными другого типа: крошечными коллемболлами, клещами, червями и бескрылыми мухами. 

В 1964 году энтомолог Кит Уайз вылетел на ледник Шеклтон, чтобы посмотреть, сможет ли он найти животных в одном из самых уединенных внутренних районов континента. 13 декабря он катался на лыжах на несколько километров вверх по леднику от лагеря, пока не достиг дна хребта горы Speed. Там он обнаружил два вида коллемболлы: серый Antarctophorus subpolaris, которую он видел раньше в других местах, и призрачную белую Tullbergia, новую для науки.

В течение десятилетий после открытия Уайза ученые пытались собрать воедино грубую историю ландшафта, где была обнаружена Tullbergia. Отложения на морском дне показали, что за последние пять миллионов лет Антарктида пережила 38 ледниковых периодов. Во время этих заморозков ее ледники утолщаются, поднимаясь вглубь и скрывая многие из горных склонов, которые видно сегодня. Температура была на 5–10 градусов ниже, чем в настоящее время. Большинство исследователей предположили, что растущие ледяные щиты «более или менее уничтожили все», говорит Стивен Чоун, полярный эколог из Университета Монаш в Мельбурне, Австралия.

Ученые пришли к выводу, что после окончания ледникового периода ледники истончаются, спускаясь вниз, что позволяет видам, прибывающим из Патагонии, Новой Зеландии или Австралии на океанских течениях или на грязных ногах морских птиц, оседать заново. Эти иммигранты заменили бы виды, которые были уничтожены наступающими ледниками. Когда наступит следующий ледниковый период, вновь прибывшие также исчезнут, и их сменит другая волна иммигрантов после того, как лед снова отступит. Большинство экспертов предположили, что виды, в настоящее время находящиеся в Антарктиде, не могли существовать там более 20 000 лет.

Затем, в 2005 году, две разные команды ученых опубликовали генетические исследования, которые противоречили этому распространенному мнению. Питер Конвей, эколог из Британской антарктической службы, объединился с Джулианой Аллегручи из Римского университета, чтобы сравнить генные последовательности мошек, живущих в Антарктиде, в Патагонии и Южной Америке. Основываясь на различиях в последовательностях ДНК и основных предположениях о том, как быстро последовательности ДНК претерпевают случайные изменения, они оценили, как давно эти виды расстались эволюционно. Конвей признает, что он ожидал увидеть разделение «через десятки тысяч лет». Но его расчеты показали, что они не смешивались в течение 68 миллионов лет. «Это было действительно удивительно», – говорит Конвей. Это означает, что антарктические мошки вовсе не были иммигрантами.

Изолированные на пять миллионов лет

Шестьдесят восемь миллионов лет назад Антарктида была покрыта густыми лесами, населенными динозаврами и ранними млекопитающими. Она все еще был присоединена к Южной Америке, образуя последний остаток суперконтинента Гондвана, от которого Африка и Австралия уже отделились. Только после ухода из Южной Америки, примерно 35 миллионов лет назад, Антарктида погрузилась в глубокую заморозку, которая уничтожила почти все живое.

Второе исследование, проведенное в 2005 году, выявило, что возраст происхождения некоторых антарктических коллемболл также намного раньше, чем прошлые ледниковые периоды. Ученые использовали генные последовательности, чтобы оценить, когда несколько видов антарктических коллемболл разошлись с видами из Австралии, Новой Зеландии и Патагонии. Их результаты показали разделение по крайней мере от 10 миллионов до 20 миллионов лет назад.

Эти и подобные результаты оставили многих ученых в растерянности, ибо они не понимали, как крошечные существа могли существовать в течение стольких ледниковых периодов. Некоторые предположили, что животные могли выжить в различных небольших изолированных долинах, называемых Сухими долинами МакМердо, в северной части Трансантарктических гор, в 850 километрах к северу от того места, где ученые Ян Хогг и Байрон Адамс нашли Tullbergia. Долины были странно свободны ото льда в течение последних 12 миллионов лет. Другие предположили, что во время ледниковых периодов животные могли укрываться в геотермальных горячих точках возле горстки вулканов, которые усеивают береговую линию континента. И, возможно, пережив каждый ледниковый период в этих прибрежных районах, они каким-то образом отправились вглубь материка в горы, подобные леднику Шеклтона.

Но эти идеи не соответствовали собранным доказательствам. Tullbergia и другие животные «не встречаются в других частях Антарктиды», – объясняет Адамс. «Вы не сможете найти их возле вулканов; Вы не сможете найти их и на побережьях».

В период с 2006 по 2017 год Хогг посетил более десятка мест вдоль Трансантарктических гор, чтобы собрать живые образцы. Он и Адамс, которые участвовали в некоторых поездках, нашли пять видов коллемболл, все из которых были известны ранее. Но они не смогли найти Tullbergia до тех пор, пока не исследовали гору Speed в 2018 году.

Затем Хогг принес образцы Tullbergia обратно в свою лабораторию, где его команда сделала ДНК тест. Кандидат наук, студентка Джемма Коллинз секвенировала короткий фрагмент ДНК каждого существа из гена, называемого цитохром с-оксидазой. Она провела месяцы, сравнивая последовательности более чем 1100 животных, найденных в разных точках вдоль Трансантарктики (некоторые из них были собраны годами ранее). Сравнения показали, какие животные, если таковые имеются, имели общую историю. Они показали, были ли разные группы животных в разных местах изолированы друг от друга, возможно, из-за расширенных ледяных щитов, или им удалось перебраться на новую территорию, когда лед был очень тонким.

В самые теплые периоды между ледниковыми периодами западно-антарктический ледяной покров истончался бы и отступал. И ледяной шельф Росса, который граничит с большинством центральных и южных гор, вероятно, исчез. Оба события позволили бы открытому океану продвинуться по суше вдоль горной цепи, хотя и не так высоко в горах, как ледниковые щиты. Хогг предположил, что во время этих теплых отрезков крошечные животные, вероятно, могли перемещаться и скрещиваться с другими ранее изолированными популяциями того же вида, потому что более широкие участки суши были свободны ото льда. Коллемболлы могли рассеяться, плавая на воде. «Они попадают в новую среду обитания», – говорит Хогг, и затем им удается сохраняться в течение 50 000 или 100 000 лет, когда лед снова нарастает.

Но результаты для Tullbergia и Antarctophorus показали, что даже в теплые времена движение этих животных было более ограниченным, чем думали ранее. Две популяции Antarctophorus, собранные с обнаженных хребтов на противоположных сторонах ледника Шеклтона, по-видимому, не скрещивались в течение пяти миллионов лет – несмотря на то, что они жили на расстоянии всего 10 километров друг от друга(ширина разрыва, через который проходит ледник). «Это довольно удивительно, – говорит Хогг. «Пять миллионов лет – это долго». Оказалось, что этот вид вообще не путешествовал.

Геологические данные показывают, что в течение особенно теплого периода от трех до пяти миллионов лет назад Западно-Антарктический ледяной щит несколько раз разрушался. Возможно, это позволило бы коллемболлам плыть вдоль горной цепи. Но генетический анализ в лаборатории Хогга показали, что группы Antarctophorus не скрещивались с другим коллемболлами, находящимся в 160 километрах к северу вдоль гор, по крайней мере восемь миллионов лет. Эти результаты позволяют предположить, что даже после обрушения ледяного покрова Западной Антарктики в Трансантарктических горах все еще оставалось достаточно льда, чтобы животные не могли передвигаться.

Анализ Tullbergia, собранный вокруг ледника Шеклтона, ошеломил исследователей еще больше: последовательности генов во всех четырех местах были практически идентичны. «Как будто они все клоны», – говорит Адамс. Это может означать, что все животные произошли от пары особей и что эти потомки никогда не скрещивались с какой-либо внешней популяцией. 

Как могла Tullbergia сохраняться в течение миллионов лет, сдерживаться льдом в течение как минимум 30 ледниковых периодов, не перемещаясь более чем на несколько километров или размножаясь с другими популяциями? Этот вопрос тем более озадачивает, потому что большую часть этого времени эти животные были в ловушке в узкой зоне между смертельным льдом и смертельной солью.

Когда Хогг и Адамс вертолетом поднимались вверх и вниз по леднику Шеклтон в 2018 году, они часто видели слабую линию, проходящую через склоны гор: в паре сотен метров над поверхностью льда, скала меняла цвет, от более светлой под линией до темной над ней. Эти «линии» показывают, насколько высоко лед поднялся в течение последнего ледникового периода – результат тонких различий в способах окисления минералов, когда они подвергаются воздействию воздуха.

Tullbergia быстро высыхает и умирает при контакте с воздухом. На останках этой особи – окрашенной красителем и сильно увеличенной – твердый экзоскелет кажется красным; более мягкая, похожая на кутикулу мембрана выглядит зеленой. У основания антенн видны двое глаз (верхнее изображение). Предоставлено: Игорь Сиванович 

История переписана

Выживание любого животного зависит от воды, и вода, кажется, указывают на объяснение для существования Tullbergia.

В семи сотнях километров к северо-западу от ледника Шеклтон Трансантарктические горы выходят из глубины материка и начинают проходить вдоль береговой линии. Именно здесь находятся сухие долины МакМердо. Несмотря на сухость, несколько долин содержат покрытые льдом озера, питаемые летней талой водой. Озера имеют глубину всего несколько метров, но высоко на нескольких стенах долины находятся кольца – древние береговые линии из песка и гравия. Они предполагают, что в некоторых из этих долин когда-то хранились сотни метров воды, питаемой потоками, спускающимися с гор. 

Ученые предполагают, что когда-то во время предыдущего ледникового периода Западный Антарктический ледниковый щит продвигался на сотни километров дальше на север, чем в настоящее время, приближаясь к горам и запирая устья долин от моря, позволяя формироваться большим озерам. Один из них, Ледниковое озеро Уошберн, имел глубину не менее 300 метров.

В 1990-х годах Бренда Холл, геолог из Университета штата Мэн, вырыла древние отложения, расположенные высоко на стене долины озера Уошберн, и собрала сублимированные куски водорослевых матов, которые там росли. Используя радиоуглеродное датирование, она подсчитала, что водоросли – и, следовательно, озеро – существовали от 23 000 до 13 000 лет назад, примерно на вершине последнего ледникового периода. Холла говорит, что это привело к любопытному утверждению: во время ледникового периода, ледники, вероятно, тают больше, чем сейчас.

Ученые пытались объяснить, как это могло произойти, потому что климат был холоднее. Одна теория состоит в том, что окружающие океаны были более покрыты льдом, чем сегодня, что привело к меньшему испарению и, следовательно, меньшему количеству облаков, меньшему количеству снега и большему количеству солнечного света, согревающего темные скалы гор. Это, в свою очередь, вызвало бы больше расплава высоко. Это усиленное таяние могло произойти по всей длине гор, в том числе там, где был найдена Tullbergia .

С этим тесно связано странное явление, которое ученые сейчас называют твердотельным парниковым эффектом. Большая часть солнечного света, падающего на ледник, отражается в его снежной поверхности. Но в Трансантарктических горах, где сильные сухие ветра медленно испаряют снег и лед, ледники часто имеют на поверхности глубокий, относительно прозрачный лед. Солнечный свет может проникнуть в лед, согревая его изнутри. Эндрю Фонтан, гляциолог из Портлендского государственного университета, обнаружил, что это может происходить при температуре воздуха до -10 градусов по Цельсию.

Холла была свидетелем этого явления высоко в южных горах, вплоть до 200 километров к югу от ледника Шеклтон. «Я видела в ясные солнечные дни, – говорит она, – эти пленки воды, ползущие вниз по ледяной скале».

Для Хогга и Адамса эти механизмы дают важные подсказки о том, как Tullbergia и Antarctophorus, а также мелкие черви, клещи и другие животные, могли пережить десятки ледниковых периодов вдоль краев ледников, таких как Шеклтон.  По краю этого льда проходит узкая обитаемая полоса шириной всего в несколько метро. По мере того, как ледниковый период приближался, постепенно выталкивая лед вверх по склонам, Tullbergia могла бы также медленно двигаться вверх по склону, может быть, всего на метр в год.

Эти объяснения звучат правдоподобно, но они не окончательны. Хогг и Адамс должны связать генетику с более четкой временной шкалой того, как лед Антарктиды растёт и уменьшается. Им также нужно посмотреть, подходит ли образец для других видов. Сейчас они и их ученики пытаются секвенировать ДНК из того же гена цитохрома у вида клеща и вида нематодного червя, которых они обнаружили на леднике Шеклтон и в других местах вокруг южных Трансантарктических гор. Они надеются, что генетические последовательности помогут объяснить, как долго эти другие животные жили здесь, как они перемещались в прошлом и как они остались живы.

То, что уже очевидно, – это то, что некоторые разновидности выжили в самых тонких из краев. Во время ледниковых отступлений они могли установить новые форпосты в близлежащих горах. Но с каждым новым ледниковым периодом большая часть популяции отмирала. Tullbergia несет шрамы этой жестокой истории в своей ДНК. Тот факт, что каждый особь из ледника Шеклтона несет практически идентичные генные последовательности, говорит о том, что в какой-то момент в прошлом лишь двум животным удалось выжить. Все живые сегодня представители произошли от тех прародителей, которым, возможно, повезло, что их унес ветровой шторм на участок Златовласки размером с баскетбольную площадку. По словам Адамса, Tullbergia «очень близка к вымиранию».

Поможет ли теплая, влажная Антарктида в восстановлении Tullbergia? Адамс вернулся в Сухие долины МакМердо в январе. Уровень озер поднимается, сухие почвы становятся влажнее, и количество мелких животных, таких как некоторые круглые черви, которые живут в земле, увеличивается. В то же время количество животных, которые выжили на действительно холодных, сухих и суровых почвах сокращаются, говорит Адамс. Возможно, новички вытеснят стариков.

Вопрос в том, постигнет ли Tullbergia подобная судьба. «Исходя из того, что они сделали в прошлом, я предполагаю, что они вполне преуспеют», – говорит Адамс. «Пока им не приходится конкурировать с инвазивными видами».


Вас также может заинтересовать:

Предок всех животных найден в австралийских окаменелостях

Новый вид с пластиком в теле обнаружен на дне океана