Белые и бурые медведи обменивались генами более сотни тысяч лет назад

Белые и бурые медведи скрещиваются и дают плодовитое потомство, но обитают в настолько разных экологических нишах, что это дает все основания считать их отдельными видами. С другой стороны, изменение климата влияет на поведение медведей; не только белые медведи проводят лето на побережье, но и бурые медведи мигрируют севернее. Из-за глобального потепления не только снижается генетическое разнообразие белого медведя, но и происходит гибридизация видов. Тем не менее влияние современных событий скрещивания бурых медведей с белыми пока представляется ограниченным. Зависимость от морских льдов, площадь которых уменьшается сейчас и была подвержена колебаниям в прошлом, делает белого медведя интересным объектом для изучения адаптации вида к экстремальным изменениям окружающей среды.

Международная команда ученых собрала геном белого медведя возрастом 150–130 тысяч лет, останки которого были найдены на архипелаге Шпицберген. Для дальнейшего исследования использовали более 60 геномов современных бурых и белых медведей из разных мест обитания, в том числе 10 из них собрали заново.

 Челюсть древнего белого медведя со Шпицбергена. Photo by Karsten Sund, Natural History Museum (NHM), University of Oslo

Исследователи обнаружили, что классификация полученных образцов сильно отличается в зависимости от исходных данных. В филогенетическом дереве, построенном по ядерному геному, разделение медведей на клады в основном следовало географическому местонахождению: все бурые медведи образовали кладу, и среди них группировались вместе европейские бурые медведи. В то же время анализ митохондриального генома выявляет другие закономерности и не согласуется с географическими данными: например, в близком родстве по материнской линии с белыми медведями оказываются бурые медведи архипелага Александра.

После комплексного анализа результатов исследователи решили, что ископаемый белый медведь явно отличается от современных представителей вида. Чтобы лучше иллюстрировать свои выводы, ученые использовали другой метод построения дерева – Neighbor-Net. Он использует расстояния между видами в единицах SNP. Новое дерево явно показало, что современные белые и бурые медведи формируют два кластера. При этом ископаемый белый медведь расположен ближе к своим современным родственникам, чем к бурым медведям.

Затем исследователи оценили демографическую историю каждого образца. Для этого использовали попарно-последовательный марковский коалесцентный анализ (PSMC). Интересно, что демографическая история белого медведя сильно отличалась от истории бурого. Ученые обнаружили резкое снижение и последующий рост популяции предков древнего белого медведя, такие же результаты были получены при исследовании геномов современных представителей вида. В демографической истории бурого медведя таких резких скачков численности не наблюдалось. В геноме древнего белого медведя уровень гетерозиготности был несколько выше, чем у современных, однако намного ниже, чем у бурых медведей.

Анализ SNP показал, что дивергенция белых и бурых медведей произошла 1.3–1,6 млн лет назад. В результате кластерного анализа (ADMIXTURE; подробнее о методах популяционной генетики на PCR.NEWS) никаких примесей между современными бурыми и белыми медведями обнаружено не было. В то же время ученые нашли 2% общего генома у бурых медведей и у древнего белого медведя.

Методы f2 , f3, f4-статистики тем не менее продемонстрировали наличие генетического обмена между этими образцами. При этом, в частности, длина интрогрессированных сегментов у белых медведей не превышала 1 млн пн, что говорит о древности событий скрещивания. Интрогрессия генов бурого медведя, по оценке авторов, могла произойти более чем 150 тысяч лет назад.

Обмен был двусторонним, однако наиболее активно он шел от бурого медведя к белому (что расходится с ранее существовавшим представлением об однонаправленном потоке генов от белого медведя к бурому). Возможно, некоторые наследственные черты, полученные от бурых медведей, были выгодными в периоды климатических изменений. С другой стороны, поток генов белых медведей, специализированных к арктическому климату, вряд ли давал преимущество бурым медведям.

Эволюционная история близких видов бывает сложной и запутанной, говорит соруководитель работы Шарлотта Линдквист из Университета Буффало (США): «То, что произошло с белыми и бурыми медведями, — точный аналог того, что мы знаем об эволюции человека: разделение видов может быть неполным. Поскольку мы получаем все больше и больше геномов древних человеческих популяций, включая неандертальцев и денисовцев, мы видим, что происходило разнонаправленное генетическое смешение, когда разные группы архаичных людей скрещивались с предками современных людей. Белые и бурые медведи — еще одна система, в которой это происходит».