Изотопная подпись

В последнее время при изучении экологии животных часто применяют метод стабильных изотопов (в основном — углерод, азот, водород и кислород) — точнее, относительную долю более тяжелого из двух изотопов. Для этого анализируют их содержание в тканях представителей животных данного вида (или нескольких видов).

Изотопный состав углерода и азота зависит от того, чем питается животное. Углерод в конечном счете поступает от растений (например, содержание тяжелого изотопа 13С отличаются в морских и наземных экосистемах). Азот указывает на положение в пищевой цепи (в целом, чем более высокий трофический уровень занимает животное, тем больше в его тканях тяжелого изотопа 15N). Водород и кислород животное получает из воды. Эти элементы связаны с круговоротом воды и зависят от широты местности и высоты над уровнем моря, где обитает животное.

Задача

Был измерен изотопный состав перьев у 254 особей 12 видов водяных печников из разных частей их ареалов. Оказалось, что доли тяжелых изотопов углерода, азота, водорода и кислорода между собой попарно не коррелируют. Однако, когда посмотрели распределение результатов измерений по видам, выяснилось, что закономерности всё же есть. Какие это могут быть закономерности?


Подсказка

Подумайте, какие две пары параметров («облака» в двумерном пространстве) и как могут быть связаны между собой?


Решение

Стабильные изотопы в экологических исследованиях

Изотопы — это разновидности атомов данного химического элемента, различающиеся по массе из-за разного количества нейтронов в ядре. По своим химическим свойствам и роли в биологических системах разные изотопы одного элемента фактически не отличаются. Стабильными называются нерадиоактивные изотопы, которые существуют длительное время. Важнейшие для биологических систем элементы (водород, кислород, азот и углерод) имеют более одного стабильного изотопа. Конкретное соотношение их в данном биологическом объекте может многое сказать о его экологии и (если это животное) образе жизни. Поэтому анализ стабильных изотопов в последнее время стал очень популярен в экологических исследованиях. Животные (а мы говорим о них) получают все названные химические элементы главным образом из пищи (углерод и азот) либо с водой (кислород и водород). Поэтому стабильные изотопы связаны с источником пищи и особенностями питания данного животного.

Основная идея этого метода состоит в следующем. В природных экосистемах всюду абсолютно преобладают наиболее легкие изотопы каждого из элементов. Однако в биологических системах по тем или иным причинам (см. ниже) происходит фракционирование изотопов — то есть изменение доли более тяжелых изотопов. Изменение это очень мало (не более сотых долей процента), тем не менее оно подчиняется определенным закономерностям и потому информативно. Так как речь идет об изменении долей, при изучении стабильных изотопов принято использовать отклонение (обозначаемое в данном случае δ) изотопного состава искомого (изучаемого) образца от стандартного образца, выраженное в промилле (‰):

δ = (Собр — Cстан)/Сстан × 1000‰,

где δ (отклонение) — это изотопная подпись данного образца по данному элементу, Сстан — доля тяжелого изотопа данного элемента в стандартном образце, Собр — доля тяжелого изотопа в искомом образце. Стандартные образцы (по-другому — стандартная доля тяжелого изотопа) для каждого химического элемента разные.

Углерод

Углерод имеет два стабильных изотопа — 12С и 13С (их ядра содержат, соответственно, 12 и 13 нейтронов). В качестве стандартного образца принято содержание 13С в белемните Belemnitella americana из мелового периода одного из отложений в Южной Каролине (США). Оно равно 0,0112372 и является аномально высоким (так уж сложилось исторически) с точки зрения содержания 13С. Поэтому значение δ13С для большинства других образцов отрицательное.

Фракционирование углерода происходит в природе за счет двух главных процессов — фотосинтеза и кальцинирования (образования карбоната кальция, CaCO3).

Большинство растений имеют С3-фотосинтез (цикл Кальвина), который сдвигает соотношение в пользу более легкого изотопа 12С. Это происходит просто потому, что более легкие атомы 12СО2 с большей вероятностью (по сравнение с 13СО2) вступают в реакцию фотосинтеза. Некоторые растения (в основном — обитатели сухих ландшафтов) обладают С4-фотосинтезом (цикл Хетча — Слэка — Карпилова), продукты которого богаче тяжелыми атомами 13С. Это происходит за счет участия АТФ с «захвате» СО2: в этом случае процесс сопровождается расходом энергии, так что более тяжелые 13СО2 вовлекаются чаще, чем при С3-фотосинтезе.

Соотношение 13С/12С различается также в морских и наземных экосистемах: в морских больше тяжелого 13С. Частично это происходит за счет кальцинирования, свойственного, в основном, морским животным (образование раковин и пр.). При кальцинировании происходит фракционирование углерода, приводящее к обогащению СаСО3 тяжелым изотопом 13С. Последующее его разложение (а это заметная часть круговорота углерода в океанах) приводит к обогащению морских экосистем тяжелым изотопом 13С.

Азот

Азот также имеет два стабильных изотопа — 14N и 15N. Индекс δ15N указывает на положение данного вида/особи в трофической цепи (цепи питания). При этом δ15N различается в пастбищных (в основании которых находятся зеленые растения) и детритных (основанных на разлагающих растительные остатки бактериях) цепях питания. Но имеются и сходства: в обеих цепях δ15N увеличивается с повышением трофического уровня. Так, травоядные имеют более высокие значение, чем растения, а хищные — более высокие, нежели травоядные. Причина этого в том, что легкий азот легче выводится из организма (например, с мочевиной), так как для отделения, например, аминогруппы с легким азотом 14N требуется меньше энергии. Это приводит к аккумуляции тяжелого 15N в организме.

Различие между пастбищными и детритными цепями такое. На первом трофическом уровне детритных цепей — у бактерий, разлагающих растительные остатки, — по не очень понятной пока причине происходит заметное увеличение доли тяжелого изотопа 15N. Поэтому члены детритных пищевых цепей при прочих равных условиях имеют большие значения δ15N.

Кислород и водород

Кислород имеет три стабильных изотопа — 16О, 17О и 18О. 17О очень редок и в изотопном анализе не учитывается: исследуют лишь соотношение 18О/16О (δ18O). Изотопная подпись водорода (δ2H) складывается из двух изотопов этого элемента — наиболее обычного 1H и тяжелого 2H (известного также как дейтерий,  D).

Соотношение стабильных изотопов кислорода и водорода в данной экосистеме связано с круговоротом воды (испарение, осадки и т. д.) — основного «поставщика» этих элементов. Эти климатические процессы сложны. Тем не менее они приводят к одному важному следствию: δ18O и δ2H зависят от широты местности и высоты над уровнем моря.

Экологическая ниша — это «место», занимаемое данным видом в природе. Иными словами, это комплекс биоценотических связей и требований к среде. В таком понимании экологическая ниша — понятие очень широкое. Поэтому полезно условно выделять два «типа» ниши. Первый тип, предложенный в 1914 году американским биологом Джозефом Гриннелом (Joseph Grinnell), — это пространственная ниша (см. Grinnellian niche). Это совокупность требований к местообитанию (температура, влажность, структура растительности и пр.). Второй тип — трофическая ниша (см. Eltonian niche). Здесь основное внимание уделяется пищевым связям животного, наличию достаточного количества необходимой пищи. На этот тип ниши впервые обратил внимание известный английский эколог Чарльз Элтон (Charles Sutherland Elton), опубликовавший фундаментальную работу «Экология животных» в 1927 году в возрасте всего 27 лет.

Рассуждая об экологической нише, нередко говорят, что она может быть широкая или узкая (со всеми переходными вариантами). В случае широкой пространственной ниши животное населяет широкий спектр местообитаний. А в случае широкой трофической — питается многими типами пищи. Как соотносятся ширина пространственной и трофической ниш? Чаще всего между ними есть положительная связь. Например, если некое животное обитает в широком спектре местообитаний, тогда и питается оно разнообразной пищей (широкая трофическая ниша) — ведь в разных местообитаниях потенциальные кормовые ресурсы могут различаться. Так что ширина пространственной ниши влияет на ширину трофической. Либо наоборот — широкая трофическая ниша позволяет заселять много разных местообитаний (то есть расширять нишу пространственную). Конечно, это только тенденция, а не правило (из которого имеются исключения). Тем не менее мы примем, что это так.

Положительная связь ширины пространственной и трофической ниш — ключевой момент при ответе на задачу. Какие стабильные изотопы характеризуют пространственную нишу? Очевидно, это кислород и водород. Ведь изотопная подпись этих элементов зависит от широты местности и высоты над уровнем моря. А трофическую нишу характеризуют углерод и азот. Поэтому наиболее вероятно связаны между собой будут кислород и водород, с одной стороны, и углерод и азот — с другой. Ведь каждая из этих пар при описании некоего вида будет давать на выходе «площадь» в двумерной системе координат, характеризующую ширину пространственной или трофической ниши соответственно. Ниже это будет рассмотрено на примере водяных печников.

Водяные печники, или трясохвостки (род Cincloides, 16 видов), — небольшие южноамериканские птицы из семейства печников (Furnariidae). Водяными их называют потому, что многие виды обитают по берегам горных речек, озер и по морским побережьям. Некоторые в поисках корма даже ныряют в воду, как оляпки (Cinclus); см. «Водяной воробей» («Элементы», 12.05.2016). Из-за их привычки потряхивать хвостом этих птиц также называют трясохвостками. Группа распространена в Южной Америке (рис. 1), где разные виды населяют диапазон высот от 0 до 5000 м над уровнем моря. Разные виды водяных печников заметно различаются по своей экологии. Некоторых можно найти в широком спектре условий (например, на разных высотах и в разных местообитаниях), другие специализированы более узко. К примеру, два вида  — прибрежный (C. nigrofumosus) и морской (C. taczanowskii) водяные печники — встречаются исключительно на морских побережьях Чили и Перу соответственно.

Рис. 1. Слева — ареалы 12 видов водяных печников (Cincloides). Справа — представители рода Cincloides: сверху вниз — водяные печники островной C. antarcticus, белокрылый C. atacamensis и полосатокрылый C. fuscus

Рис. 1. Слева — ареалы 12 видов водяных печников (Cincloides). Рисунок из статьи J. A. Rader et al., 2017. Isotopic niches support the resource breadth hypothesis. Справа — представители рода Cincloides: сверху вниз — водяные печники островной C. antarcticus, белокрылый C. atacamensis и полосатокрылый C. fuscus. Фото с сайтов oiseaux-birds.com, avesphoto.com и neotropical.birds.cornell.edu

В недавней работе группа ученых изучила изотопный состав перьев 12 видов трясохвосток. Перья брали с тушек, хранящихся в музейных коллекциях, — всего от 254 особей, из разных частей ареалов каждого из видов. Далее они изучили соотношение тяжелых и легких изотопов углерода, азота, кислорода и водорода в этих перьях. То есть рассчитали для каждого образца индексы δ13С, δ15N, δ18O и δ2H. Птицы меняют перья во время линьки, обычно приуроченной к определенному периоду года и длящейся 1–2 месяца. Поэтому изотопный состав перьев может рассказать о том, чем птица в это время питалась. Вот какая картина получилась (рис. 2):

Рис. 2. Изотопные ниши по углероду и азоту (слева) и по кислороду и водороду (справа)

Рис. 2. Изотопные ниши по углероду и азоту (слева) и по кислороду и водороду (справа). Эллипсы очерчивают пределы изменчивости этих показателей каждого вида, отмечены также предпочитаемые местообитания (наземные экосистемы и морские побережья) и высота над уровнем моря, где обитает данный вид. Рисунок из статьи J. A. Rader et al., 2017. Isotopic niches support the resource breadth hypothesis

Эллипсы, приведенные на этом рисунке для каждого из 12 изученных видов, — это так называемая изотопная ниша. Изотопная ниша — это пространство, занимаемое видом в многомерном пространстве признаков, которые в этом случае являются значениями индексов δ13С, δ15N, δ18O и δ2H. Изотопная ниша по углероду и азоту в какой-то степени является нишей трофической, так как характеризует питание. А ниша по кислороду и водороду — пространственная, так как зависит от местообитания (ведь изотопный состав воды — поставщика этих элементов — различается в разных местах). Чем шире изотопная ниша по углероду и азоту (то есть больше площадь соответствующего эллипса), тем больший спектр кормов потребляет данное животное, тем шире его трофическая ниша. Аналогично, чем больше площадь эллипса по кислороду и водороду, тем в более широком спектре местообитаний можно найти особей этого вида. Оказалось, что ширина ниши (то есть площадь эллипса) по углероду и азоту, с одной стороны, и по кислороду и водороду, с другой, положительно связаны между собой (рис. 3). Этот рисунок как раз и является ответом к задаче.

Рис. 3. Взаимосвязь ширины изотопной ниши по углероду и азоту (C/N) и по кислороду и водороду (O/H) для 12 видов водяных печников

Рис. 3. Взаимосвязь ширины изотопной ниши по углероду и азоту (C/N) и по кислороду и водороду (O/H) для 12 видов водяных печников. Ширина ниши данного вида — это площадь соответствующего эллипса на рис. 2. Рисунок из статьи J. A. Rader et al., 2017. Isotopic niches support the resource breadth hypothesis


Послесловие

Стабильные изотопы в помощь генетике

Ниже мы рассмотрим случай, когда метод стабильных изотопов помог решить хотя и вполне частный, но интересный вопрос. Речь идет о славках-завирушках (Sylvia curruca — complex) — комплексе из шести очень близких и морфологически сходных форм (которые, скорее всего, следует считать разными видами), относящихся к семейству славковых (Sylviidae) (рис. 4).

Рис. 4. Гнездовые ареалы шести форм из комплекса славка-завирушка (Sylvia curruca — complex)

Рис. 4. Гнездовые ареалы шести форм из комплекса славка-завирушка (Sylvia curruca — complex). Рисунок из статьи S. C. Votier et al., 2016. Stable isotopes and mtDNA reveal niche segregation but no evidence of intergradation along a habitat gradient in the Lesser Whitethroat complex (Sylvia curruca; Passeriformes; Aves)

А конкретно — о двух формах этой группы: blythi и halimodendri (рис. 5).

Рис. 5. Славка-завирушка формы S. c. halimodendri (слева) и ее местообитание (справа)

Рис. 5. Славка-завирушка формы S. c. halimodendri (слева) и ее местообитание (справа). Фото Алексея Опаева, южный Казахстан, река Или

Эти птицы отличаются друг от друга по строению митохондриальной ДНК (а именно последовательности нуклеотидов в гене цитохрома b), а вот четких различий в ядерной ДНК найдено не было. Различны они и по экологии: blythi — это преимущественно птица лесных опушек, а halimodendri населяет полупустынные ландшафты. Внешне они очень похожи. Ареалы обитания различны (рис. 4). Но известны экземпляры, по окраске промежуточные между blythi и halimodendri. Эти особи, однако, были добыты на миграциях и зимовке. То есть область их гнездования была неизвестна. Вопрос состоял в следующем: являются ли такие промежуточные птицы гибридами blythi и halimodendri или это просто уклоняющиеся особи одной или другой формы? Молекулярно-генетический анализ, обычно используемый в таких случаях, оказался бессилен. Напомним, что по ядерным генам различий между формами выявлено не было. А митохондриальная ДНК передается главным образом по материнской линии и, таким образом, ничего не говорит о видовой принадлежности отца.

Исследователи сделали следующее предположение. Если у промежуточных по внешнему виду птиц как митохондриальная ДНК, так и изотопная ниша будут соответствовать одной из данных двух форм, то вероятнее всего это не гибриды. Если же это гибриды, то их изотопная ниша будет промежуточной между двумя формами. Последнее предположение связано с тем, что гибриды наиболее вероятны в местах соприкосновения или сближения ареалов разных форм. Соответственно, условия жизни здесь должны быть переходными. Изотопный анализ подтвердил первую возможность (рис. 6): промежуточные по окраске птицы оказались типичными представителями одной из форм не только по митохондриальной ДНК, но и по своей изотопной нише. Значит, это не гибриды. То есть предполагать скрещивание в природе blythi и halimodendri пока нет оснований (хотя это и не значит, что такое невозможно в принципе).

Рис. 6. Изотопные ниши по углероду и азоту (слева) и по кислороду и водороду (справа) для разных форм славки-завирушки

Рис. 6. Изотопные ниши по углероду и азоту (слева) и по кислороду и водороду (справа) для разных форм славки-завирушки (о большинстве из них речь в Послесловие не шла). В тексте были рассмотрены следующие гаплотипы (по мтДНК): Haplotype 1 = S. c. blythi, Haplotype 2 = S. c. halimodendri (2а — типичной окраски, 2b — по окраске промежуточные между S. c. halimodendri и S. c. blythi). Рисунок из статьи S. C. Votier et al., 2016. Stable isotopes and mtDNA reveal niche segregation but no evidence of intergradation along a habitat gradient in the Lesser Whitethroat complex (Sylvia curruca; Passeriformes; Aves)

Так изотопный анализ помог решить вопрос, в котором молекулярно-генетические методы (обычно применяющиеся в таких случаях) оказались недостаточными.


0
Написать комментарий


    Другие задачи


    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»