Растения постоянно меняются под воздействием окружающей среды, однако новое исследование показывает, что эволюция не всегда ведёт их в наиболее выгодном направлении.

Учёные Мичиганского университета изучили ипомею пурпурную и обнаружили, что за девять лет расчётный темп её адаптации снизился примерно на 96%.

При этом причина оказалась не в нехватке генетического разнообразия, а в том, что разные эволюционные давления начали ограничивать друг друга.

Исследование показывает, насколько сложной может быть реакция растений на одновременные изменения климата и сокращение численности опылителей.

Когда стратегии выживания конфликтуют

По мере изменения температуры и режима осадков растения могут адаптироваться, меняя, например, сроки цветения. Более раннее цветение считается одним из возможных способов приспособления к потеплению и изменению сезонных условий.

Но одновременно растениям необходимо успешно размножаться. Если опылителей становится меньше, усиливается естественный отбор в пользу признаков, которые помогают их привлекать.

В случае ипомеи исследователи обнаружили всё более тесную связь между размером цветка и временем цветения. Более крупные цветки могут быть выгодны для привлечения опылителей, тогда как изменение сроков цветения помогает растению реагировать на климатические условия.

Проблема возникает тогда, когда эти признаки перестают изменяться независимо друг от друга. Отбор в пользу одного из них может ограничивать способность растения менять другой.

Генетического разнообразия было достаточно

Особенно интересно, что замедление адаптации нельзя было объяснить нехваткой генетической изменчивости. Обычно высокое генетическое разнообразие считается преимуществом: чем больше вариантов признаков существует внутри популяции, тем больше возможностей получает естественный отбор.

Однако исследованные популяции ипомеи сохраняли значительную генетическую вариативность. Ограничением стали связи между самими признаками.

Иными словами, у растений по-прежнему оставался потенциал для эволюционных изменений, но возможные направления этих изменений становились всё более ограниченными.

Исследователи предполагают, что давление, связанное с необходимостью привлекать опылителей, могло мешать растениям эффективнее реагировать на климатические изменения. При этом речь идёт именно о научной гипотезе, основанной на полученных данных, а не о доказанной прямой причинно-следственной связи.

Как деятельность человека меняет эволюцию

Исследование провела Саша Бишоп совместно с Реджиной Боком из Мичиганского университета и Джоном Стинчкомбом из Университета Торонто.

Работа стала частью более широкого изучения того, как антропогенные изменения среды влияют на эволюцию диких видов. На растения одновременно воздействуют климатические изменения, преобразование местообитаний, интенсивное сельское хозяйство и сокращение численности опылителей. Из-за этого разные направления естественного отбора могут вступать между собой в конфликт.

Теоретически некоторые виды способны достаточно быстро адаптироваться к новым условиям. Однако в природе многие популяции вместо этого сокращаются или теряют часть генетического разнообразия, не успевая приспособиться к темпу изменений окружающей среды.

Как измеряли изменения

Учёные использовали так называемый «воскрешающий» эксперимент. Они выращивали растения из семян диких популяций ипомеи, собранных в 2003 и 2012 годах. Такой подход позволил напрямую сравнить представителей одной системы, разделённых девятью годами эволюции.

Исследователи измеряли несколько признаков, связанных с климатической адаптацией и взаимодействием с опылителями: сроки появления первого цветка, размер венчика, содержание сахара в нектаре и расстояние между пыльниками и рыльцем.

Затем учёные оценивали потенциальный темп адаптации с помощью статистического показателя R, который учитывает не только каждый признак по отдельности, но и связи между ними.

Такой подход помогает понять, может ли изменение одного признака ограничивать эволюцию другого.

Адаптационный потенциал резко снизился

Разница между двумя временными точками оказалась очень большой. Для более ранних популяций расчётный темп адаптации составлял около 76% от уровня, который ожидался бы при отсутствии ограничивающих связей между признаками.

Через девять лет этот показатель снизился примерно до 9%. Именно эту разницу исследователи описывают как сокращение темпа адаптации примерно на 96%.

Важно понимать, что речь не идёт о том, что растения «потеряли 96% способности выживать». Учёные оценивали, насколько взаимосвязи между признаками ограничивают потенциальную эволюционную реакцию популяции.

Ранее та же исследовательская группа показала, что в период между 2003 и 2012 годами цветки ипомеи в среднем стали крупнее, а начало цветения сдвинулось примерно на четыре дня раньше.

Почему это важно

Исследование показывает, что наличие генетического разнообразия само по себе ещё не гарантирует быстрой адаптации к меняющейся среде.

Если важные признаки оказываются тесно связаны, естественный отбор в одном направлении может ограничивать изменения в другом.

Пока эти выводы относятся прежде всего к изученным популяциям ипомеи, поэтому распространять их на все растения было бы преждевременно. Однако работа демонстрирует механизм, который потенциально может быть важен и для других видов.

По мере того как климат продолжает меняться, а экосистемы одновременно сталкиваются с сокращением численности опылителей и другими антропогенными воздействиями, подобные эволюционные конфликты могут становиться всё более значимыми.

Их изучение поможет лучше понять, почему одни виды успешно приспосабливаются к новым условиям, тогда как другим даже значительного генетического разнообразия оказывается недостаточно.