Изучив древние окаменелости и ДНК, группа палеонтологов и палеогенетиков выяснила, когда и как флора и фауна Северного полушария адаптировалась к холодному климату. Оказалось, что виды приспосабливались не одномоментно, а в два ключевых этапа: первый начался около 2,6 миллиона лет назад, а второй — примерно 700 тысяч лет назад, во время перехода к более длительным и суровым ледниковым периодам.
Три миллиона лет назад на Земле начались регулярные оледенения. Считается, что в это время устойчивые к холоду животные и растения расширяли ареалы обитания в соответствии с циклами Миланковича — периодами оледенений длительностью 41 и 21 тысячу лет, а в теплые межледниковья, напротив, сокращали их. При этом у позвоночных наблюдалось больше эволюционных изменений, чем у растений и насекомых. Ученые объясняют это филогенетическим консерватизмом, то есть не радикальной «перестройкой» организмов, а адаптацией за счет изменений в уже существующих системах.
В частности, мамонты, шерстистые носороги, росомахи и олени появились в плиоцене (5,4-2,4 миллиона лет назад) и раннем плейстоцене (2,6-0,78 миллиона лет назад). Тогда же начали формироваться первые тундровые экосистемы. Позже, с удлинением ледниковых периодов в среднем плейстоцене возникли такие виды, как тундровая куропатка, белый медведь и шерстистый мамонт. Все они эволюционировали по-разному и в разное время. Поскольку каждый вид по-своему реагировал на изменения окружающей среды, говорить об универсальных адаптациях нельзя: одни виды отступали на север или в горы, другие — к континентальному центру.
До развития палеогенетики ученые определяли время появления холодоустойчивых таксонов (групп живых организмов) преимущественно по анатомическим, физиологическим и поведенческим признакам у ныне живущих видов. Теперь, проанализировав древние окаменелости и ДНК, авторы нового исследования, опубликованного в журнале Trends in Ecology & Evolution, выдвинули три основных сценария возникновения видов, устойчивых к холодному климату.
Согласно первому сценарию, часть видов эволюционировала в умеренных широтах и по мере похолодания мигрировала в Арктику. Второй сценарий предполагает, что адаптация происходила in situ (на месте), когда организмы, обитающие в северных регионах, постепенно приспосабливались к изменениям окружающей среды. Третий сценарий связан с так называемой предаптацией в горных экосистемах — холод там царил до оледенений, позволяя организмам подготовиться к будущим похолоданиям.
Например, настоящие лемминги и северные олени появились в Арктике в раннем плейстоцене, между одним и двумя миллионами лет назад. Белый медведь и песец, судя по всему, прибыли с юга около 700 тысяч лет назад, а шерстистый носорог обитал на Тибетском нагорье задолго до крупных оледенений в северных широтах.
Тундра как экосистема (хотя и несколько отличающаяся от современной), вероятно, сформировалась около 2,6-1,8 миллиона лет назад. При этом оценки эволюционной устойчивости насекомых и растений могут быть неточными: визуальные признаки не всегда отражают генетические изменения.
Поскольку флора и фауна современной Арктики сформировалась из видов с разным эволюционным прошлым, исследователи заключили, что рассматривать арктические сообщества как результат единого климатического ландшафта не стоит. Виды, обитающие здесь, — результат поэтапных эволюционных и экологических процессов, которые длились миллионы лет.
«Приспособленные к холоду виды — одни из наиболее уязвимых к изменению климата. Понимание их эволюционного пути позволяет выявить риски, с которыми сталкиваются исчезающие виды сегодня», — отметил ведущий автор новой научной работы Джон Стюарт (John Stewart) из Борнмутского университета (Великобритания).