Черное море — золотая жила древних генетических данных: новое исследование реконструирует прошлый океанический «палеом»

Морской палеоэколог из Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) Марко Кулен, изучая огромные массивы генетических данных из донных отложений Черного моря, был поражен разнообразием видов древнего планктона, оставивших свой генетический след (так называемый планктонный палеом).

Полуизолированное Черное море чрезвычайно чувствительно к изменениям окружающей среды, вызванным климатом, а его донные осадки представляют собой высокоразрешающие архивы прошлого континентального климата и сопутствующих гидрологических изменений в бассейне. Солоноватое Черное море в настоящее время получает соленые воды Средиземного моря через узкий Босфорский пролив, а также пресную воду из рек и осадков.

Однако во время ледниковых периодов при низком уровне моря морская связь прерывалась, и Черное море функционировало как гигантское озеро. Динамика изменений окружающей среды с позднего ледникового периода в голоцен (последние 10 000 лет) остается предметом дискуссий, а данные о том, как эти изменения повлияли на экологию планктона Черного моря, скудны.

Используя комбинацию передовых методов анализа древней ДНК и инструментов для реконструкции прошлого климата, Кулен, Гиосан и их коллеги определили, как сообщества планктона реагировали на изменения климата и влияние человека за последние 11 400 лет. Их результаты будут опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и станут доступны онлайн 6 мая.

Исследователи традиционно реконструируют состав планктона, подсчитывая под микроскопом ископаемые скелеты в кернах донных отложений. Но этот метод ограничен, поскольку большинство планктонных организмов не оставляют окаменелостей. Поэтому Кулен искал осадочные геномные остатки прошлых обитателей толщи вод Черного моря. По его словам, ДНК дает наилучшую возможность изучить прошлую экологию Черного моря.

Вместо небольших клон-библиотек исследователи использовали метод высокопроизводительного секвенирования ДНК следующего поколения — пиросеквенирование, чтобы отследить общие изменения планктона в Черном море от дегляциации до недавнего времени. Кроме того, они реконструировали прошлые изменения солености и температуры как возможные причины сдвигов в сообществах планктона.

Для реконструкции солености команда WHOI проанализировала осадки, содержащие высокоустойчивые органические соединения — алкеноны, которые уникальным образом производятся кокколитофоридом Emiliania huxleyi. Изучив соотношение двух изотопов водорода в алкенонах, они смогли отследить тренд солености в Черном море за последние 6500 лет. Более высокие соотношения дейтерия указывают на более высокую соленость.

Исследование выявило, что 150 из 2710 идентифицированных видов планктона статистически значимо реагировали на четыре экологические стадии с периода дегляциации. Пресноводные зеленые водоросли были лучшими видами-индикаторами для озерных условий более 9000 лет назад. Наиболее резкие изменения в планктоне произошли за последнее столетие и связаны с антропогенным воздействием в регионе.

Новые данные показывают, насколько чувствительны морские экосистемы к климату и влиянию человека. Высокопроизводительное секвенирование древней ДНК позволяет реконструировать значительную часть древней океанической жизни, включая организмы, не сохранившиеся в виде окаменелостей. Древняя ДНК планктона сохранилась даже в самых старых проанализированных озерных отложениях Черного моря, когда вся толща воды, вероятно, была хорошо перемешана и насыщена кислородом. Это означает, что древняя ДНК планктона может широко сохраняться в осадках и, вероятно, использоваться для реконструкции прошлой жизни в большинстве морских и озерных сред.