Gwałtowny wzrost tempa ocieplenia w Arktyce powoduje szybkie zmiany zasięgu występowania roślin i zwierząt w całym drzewie życia regionu. Naukowcy twierdzą, że te zmiany mogą doprowadzić gatunki, które normalnie nie spotkałyby się ze sobą, do krzyżowania się, tworząc nowe populacje hybrydowe.

Teraz naukowcy przedstawili pierwszy dowód hybrydyzacji na dużą skalę, która wydaje się być spowodowana zmianami klimatycznymi. W artykule opublikowanym w tym miesiącu w czasopiśmie Science Advances naukowcy donoszą, że hybrydowa populacja maskonurów atlantyckich na odległej norweskiej wyspie Bjornoya pojawiła się prawdopodobnie w okresie zbiegającym się z początkiem szybszego tempa globalnego ocieplenia.

Z badania wynika, że ​​maskonury hybrydowe prawdopodobnie powstały w wyniku krzyżowania się dwóch podgatunków w ciągu ostatnich 100 lat, co zbiegło się z początkiem XX-wiecznego wzorca ocieplenia. Co zaskakujące, hybrydyzacja nastąpiła po migracji podgatunku na południe, a nie na biegun w kierunku niższych temperatur, jak można było się spodziewać, co podkreśla złożoność zmian zachodzących w ekosystemie Arktyki.

Dodatkowa analiza wskazuje również na znaczną utratę różnorodności genetycznej w badanych populacjach, co stanowi alarmujący rozwój sytuacji dla przyszłego zdrowia maskonurów polarnych – piszą naukowcy.

„Zarówno czas hybrydyzacji, jak i erozja genomu naprawdę dostarczają przekonujących dowodów na to, że ostatnie kilka lat wywarło ogromny wpływ na społeczności arktyczne” – powiedział Oliver Kersten, główny autor artykułu i badacz ze stopniem doktora w dziedzinie genomiki i ekologii morza na Uniwersytecie w Oslo. Odkrycia podkreślają również znaczenie analizy zarówno współczesnych, jak i historycznych danych DNA – dodał.

Maskonury atlantyckie, pieszczotliwie nazywane „klaunami morskimi”, to charakterystyczne ptaki morskie znane z czarno-białych piór i żywego, wielobarwnego dzioba. Żyją i rozmnażają się w oceanach Północnego Atlantyku i Arktyki. Na całym świecie ptak jest uważany za „narażony” na wyginięcie, ale w Europie od 2015 roku znajduje się na liście gatunków całkowicie zagrożonych.

Stan populacji maskonurów na całym świecie jest złożony. Niektóre kolonie ptaków radzą sobie stosunkowo dobrze; inne spadają, ponieważ praktycznie żadne pisklęta ani pufy nie dożywają wieku dorosłego. Rost, jedna z trzech norweskich wysp, których populację objęto badaniem, była największą na świecie kolonią lęgową, w której żyje 2,8 miliona dorosłych maskonurów. Naukowcy podają, że w ciągu ostatnich czterech dekad gatunek ten stracił 80 procent par lęgowych.

„Dwadzieścia lat temu, kiedy byłeś na Rost i patrzyłeś w niebo, wszystko było pokryte maskonurami” – powiedziała Kersten. „To musiało być naprawdę, naprawdę niezwykle fascynujące miejsce”.

Obecnie lokalną populację maskonurów szacuje się na zaledwie 208 500 osobników. „Wyraźnie widać różnicę” – stwierdził badacz.

W obrębie gatunku maskonurów atlantyckich istnieją trzy oficjalnie zdefiniowane podgatunki, które wyglądają w dużej mierze tak samo, ale różnią się nieco wielkością i składem genetycznym. Uważa się, że różnice genetyczne pojawiły się po oddzieleniu gatunków w wyniku czynników środowiskowych — prawdopodobnie cykli lodowcowych w ciągu ostatnich tysiącleci.

Kersten była także główną autorką artykułu z 2021 r., w którym jako pierwsza zbadano kompleksowy zestaw genomów maskonurów. Analizując dane z różnych populacji, badacze zauważyli populację hybrydową na Bjornoya.

Badanie opublikowane w tym miesiącu skupiało się na trzech koloniach lęgowych maskonurów. Podgatunek o największych rozmiarach fizycznych gniazduje na wyspie Spitsbergen, a podgatunek średniej wielkości w Rost. Bjornoya, ze swoją populacją hybrydową, leży pomiędzy Rostem a Spitsbergenem. Badając sekwencje DNA maskonurów w populacji hybryd, badacze wiedzieli, które części pochodzą z którego z pozostałych dwóch podgatunków.

Długość sekwencji DNA w genomach hybrydowych była stosunkowo długa, co wskazuje, że hybrydyzacja nastąpiła stosunkowo niedawno. (Z każdym pokoleniem urodzonym w wyniku początkowego krzyżowania sekwencje stają się krótsze). W rezultacie naukowcy oszacowali, że hybrydyzacja miała miejsce między 82 a 295 lat temu.

Biorąc pod uwagę ewolucyjną historię gatunku, osiągnięcie tak konkretnego zakresu dat uważa się za niezwykłe. Jednak badacze chcieli jeszcze bardziej zawęzić okno, w którym nastąpi początkowa hybrydyzacja, więc w celu uzyskania większej ilości informacji o DNA zwrócili się do okazów muzealnych.

Kersten przeszukała bazy danych w poszukiwaniu okazów w muzeach w Europie i Ameryce Północnej w poszukiwaniu zakonserwowanych maskonurów z określonych kolonii, zebranych w określonych momentach. On i jego koledzy znaleźli próbki, których szukali w Muzeum Historii Naturalnej w Sztokholmie i Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku.

Aby zdobyć próbki maskonurów z tych muzeów, Kersten powiedziała: „Wysłałam do nich e-mail i trzymałam kciuki, żeby byli tym podekscytowani tak samo jak ja, i byli tym podekscytowani”. powiedział.

Okazało się, że żaden z historycznych okazów maskonurów zebranych na Bjornoya nie był mieszańcem, w przeciwieństwie do populacji, która tam obecnie żyje. Należały do ​​tego samego podgatunku średniej wielkości, który występuje obecnie na Rost. Biorąc pod uwagę, że próbki muzealne pochodziły z lat 1868–1910, autorzy badania doszli do wniosku, że początkowa hybrydyzacja musiała nastąpić po 1910 r.

W wyniku analizy DNA naukowcy przypuszczają, że około 100 lat temu przesunięcie zasięgu na południe od najbardziej wysuniętej na północ wyspy Spitsbergen doprowadziło do powstania kolonii hybrydowej na Bjornoya.

Szukając wyjaśnienia, naukowcy rozważyli możliwość, że populacja Spitsbergenu rozrosła się do tego stopnia, że ​​nie było wystarczająco dużo miejsca dla wszystkich ptaków w kolonii. Kiedy jednak wykorzystali dane genetyczne do oszacowania wielkości populacji w ciągu ostatnich 100 lat, w żadnym momencie nie znaleźli dowodów na zauważalny wzrost.

Następnie naukowcy przyjrzeli się danym klimatycznym z okresu, w którym prawdopodobnie obydwa podgatunki się krzyżowały, i zbiegło się to z początkiem ocieplenia Arktyki w XX wieku, kiedy temperatura powierzchni morza wzrosła nawet o 1,5 stopnia Celsjusza, siejąc spustoszenie w całej arktycznej żywności sieć.

Wcześniejsze badania wskazują, że na początku XX wieku zmiany w populacji planktonu i ryb prawdopodobnie wpłynęły na ptaki morskie. Na przykład około 1920 roku gatunek śledzia, który jest ważnym źródłem pożywienia dla maskonurów w sezonie, w którym odchowują młode, przeniósł się na wschód, z dala od rodzin badanych w tym artykule.

Przesunięcie się na południe ze Spitsbergenu do Bjornoya koliduje z ogólnymi założeniami naukowców na temat migracji w Arktyce wywołanej klimatem. Naukowcy spodziewają się, że wraz ze wzrostem temperatury zwierzęta udają się na północ w poszukiwaniu czegoś podobnego do swojego zwykłego siedliska.

Jednak w przypadku maskonurów spitsbergeńskich nie było większych obszarów lądowych dalej na północ, do których mogliby się przenieść. Bjornoya to pierwsza wyspa na południu, na której można uprawiać te ptaki, „więc logiczne jest, że możemy znaleźć mieszańce właśnie tam, a nie gdziekolwiek indziej” – stwierdziła Kersten.

Don Lyons, dyrektor ds. nauk o ochronie przyrody w Instytucie Ptaków Morskich przy Narodowym Towarzystwie Audubon, który nie był zaangażowany w badania, powiedział, że migracja maskonurów ze Spitsbergenu na południe z ich tradycyjnego zasięgu wydaje się „sprzeczna z intuicją”.

„Jednak w kontekście tego, jak szybko zmienia się nasz ocean, niekoniecznie rozumiemy niezliczoną ilość przyczyn tego zjawiska” – stwierdził Lyons. „Może nie powinniśmy zakładać, że gatunki zawsze będą przemieszczać się w stronę bieguna”.

Według najlepszej wiedzy badaczy, rzadko zdarza się, aby gatunek arktyczny ulegał hybrydyzacji na skalę populacyjną. Chociaż hybrydy niedźwiedzia polarnego i grizzly przykuły uwagę opinii publicznej, badania wykazały, że kilka istniejących „niedźwiedzi pizzly” urodziło się tylko z jednej samicy niedźwiedzia polarnego, która skojarzyła się z dwoma niedźwiedziami grizzly.

W 1990 roku badacze postawili hipotezę, że dziwna czaszka wieloryba znaleziona na zachód od Grenlandii była hybrydą bieługi i narwala. Analiza genetyczna potwierdziła później tę teorię. Istnieje kilka innych udokumentowanych przypadków mieszańców powstałych w wyniku kojarzenia różnych gatunków arktycznych. Ale przynajmniej na razie maskonury Bjornoya wydają się wyjątkowe: cała populacja mieszańców wyhodowanych niedawno przez dwa podgatunki po tym, jak jeden z nich migrował na południe.

„Nigdy nie dochodzi do hybrydyzacji na pełną skalę populacji” – powiedziała Kersten. „I nigdy nie ma tak naprawdę znacznika czasu, który byłby tak dokładny i wąski jak my”.

Konsekwencje hybrydyzacji są złożone. W niektórych przypadkach wzrost różnorodności genetycznej może pomóc gatunkowi dostosować się do nowych wyzwań środowiskowych. W innych ma odwrotny skutek, osłabiając ogólną sprawność populacji.

W tej chwili maskonury Bjornoyi toczą się normalnie. „Rozmnażają się, mają się dobrze” – powiedziała Kersten. „Więc tak naprawdę nie widzimy jego wad. Ta hybrydyzacja nie jest obecnie przedmiotem zainteresowania ochrony przyrody”.

Według niego głównym zmartwieniem związanym z ochroną przyrody jest utrata różnorodności genetycznej maskonurów na wyspach. Analizując próbki historyczne i współczesne, naukowcy odkryli, że w populacjach Spitsbergenu i Rostu w ciągu ostatnich 100 lat nastąpił poważny spadek różnorodności DNA.

Nawet hybrydowa kohorta Bjornoya, która powstała z połączenia dwóch genetycznie odrębnych populacji, cierpi z powodu tej zmniejszonej różnorodności.

Istnieje obawa, że ​​spadek liczebności populacji maskonurów może sprawić, że będzie ona bardzo bezbronna. Lyons zauważył, że aby poradzić sobie ze zmianami klimatycznymi i innymi skutkami działalności człowieka, rozległa sieć dzikich zwierząt będzie musiała przystosować się do zmieniającego się środowiska, a utrata różnorodności genetycznej oznacza, że ​​organizmy będą miały znacznie mniejsze możliwości przystosowania się.