Организмы могут жить на большой высоте : на суше, в воде или во время полета. Снижение доступности кислорода и понижение температуры усложняют жизнь на таких высотах, хотя многие виды успешно адаптировались посредством значительных физиологических изменений. В отличие от краткосрочной акклиматизации (немедленной физиологической реакции на изменение окружающей среды), высотная адаптация означает необратимые, развитые физиологические реакции на высокогорную среду, связанные с наследственными поведенческими и генетическими изменениями . Известно , что среди позвоночных лишь немногие млекопитающие (такие как яки , козероги , тибетские газели , викуньи , ламы , горные козлы и т. д.) и некоторые птицы полностью адаптировались к высокогорной среде. [1]
Человеческие популяции, такие как некоторые тибетцы , южноамериканцы и эфиопы, живут в непригодных для жизни высоких горах Гималаев , Анд и Эфиопского нагорья соответственно. Адаптация человека к большой высоте является примером естественного отбора в действии. [2]
Высотные адаптации представляют собой примеры конвергентной эволюции , при этом адаптации происходят одновременно на трех континентах. Тибетские люди и тибетские домашние собаки имеют общую генетическую мутацию EPAS1 , но у андских людей она не наблюдалась. [3]
Тихоходки обитают по всему миру, включая высокие Гималаи . [4] Тихоходки также способны выдерживать температуры, близкие к абсолютному нулю (-273 °C (-459 °F)), [5] температуры до 151 °C (304 °F), радиацию, которая может убить других животных. , [6] и почти десятилетие без воды. [7] С 2007 года тихоходки также вернулись живыми после исследований, в которых они подвергались воздействию вакуума космического пространства на низкой околоземной орбите. [8] [9]
Другими беспозвоночными, обитающими на большой высоте, являются Euophrys omnisuperstes , паук, обитающий в Гималаях на высоте до 6699 м (21 978 футов); [10] Питается бродячими насекомыми, которые ветром уносятся в гору. [11] Коллембола Hypogastrura nivicola (одно из нескольких насекомых , называемых снежными блохами) также обитает в Гималаях. Он активен в разгар зимы, его кровь содержит соединение, похожее на антифриз . Некоторые вместо этого позволяют себе обезвоживаться, предотвращая образование кристаллов льда в организме. [12]
Насекомые могут летать и летать на очень большой высоте. Мухи распространены в Гималаях на высоте до 6300 м (20 700 футов). [13] Шмели были обнаружены на горе Эверест на высоте более 5600 м (18 400 футов) над уровнем моря. [14] В последующих испытаниях шмели все еще могли летать в летной камере, которая воссоздавала более разреженный воздух на высоте 9 000 м (30 000 футов). [15]
Воздушный шар - это термин, используемый для механического кайтинга [16] [17] , который многие пауки , особенно мелкие виды, такие как Erigone atra , [18], а также некоторые клещи и некоторые гусеницы, используют для распространения по воздуху. Некоторые пауки были обнаружены на воздушных шарах с атмосферными данными, собирающих пробы воздуха на высоте чуть менее 5 км (16 000 футов) над уровнем моря. [19] Это наиболее распространенный способ освоения пауками изолированных островов и горных вершин. [20] [21]
Рыба, обитающая на больших высотах, имеет более низкую скорость метаболизма, как было показано у головорезной форели высокогорного Вестсклона по сравнению с интродуцированной равнинной радужной форелью в бассейне реки Олдман . [22] Существует также общая тенденция к меньшим размерам тела и меньшему видовому богатству на больших высотах, наблюдаемая у водных беспозвоночных, вероятно, из-за более низкого парциального давления кислорода. [23] [24] [25] Эти факторы могут снизить продуктивность в высокогорных средах обитания, а это означает, что будет меньше энергии, доступной для потребления, роста и активности, что дает преимущество рыбам с более низкими метаболическими потребностями. [22]
Голый карп из озера Цинхай , как и другие представители семейства карповых , может использовать ремоделирование жабр для увеличения поглощения кислорода в гипоксической среде . [26] Реакция голого карпа на холод и условия с низким содержанием кислорода, по-видимому, по крайней мере частично опосредована фактором 1, индуцируемым гипоксией (HIF-1) . [27] Неясно, является ли это общей характеристикой для других высокогорных рыб, или же ремоделирование жабр и использование HIF-1 для адаптации к холоду ограничиваются карпом.
Известно также, что млекопитающие обитают на большой высоте и демонстрируют поразительное количество адаптаций с точки зрения морфологии , физиологии и поведения . На Тибетском нагорье обитает очень мало видов млекопитающих, начиная от волка , кианга (тибетского дикого осла), гоа , чиру (тибетской антилопы), дикого яка , снежного барса , тибетской песчаной лисицы , козерога , газели , гималайского бурого медведя и водяного буйвола . [29] [30] [31] Этих млекопитающих можно разделить на две большие группы в зависимости от их способности адаптироваться к жизни на большой высоте, а именно: эврибарки и стенобарки . К эврибаркам , способным выжить в широком диапазоне высокогорных регионов, относятся як, козерог, тибетская газель в Гималаях и ламы -викуньи в Андах. Стенобарковые животные — это животные с меньшей способностью переносить различные перепады высоты, например кролики , горные козы , овцы и кошки . Среди домашних животных яки, пожалуй, самые высокие обитающие животные. Дикие травоядные животные Гималаев , такие как гималайский тар , мархур и серна, представляют особый интерес из-за их экологической универсальности и толерантности. [32]
На большой высоте обитает ряд грызунов , в том числе мыши-олени , морские свинки и крысы . Выжить в этих суровых условиях им помогают несколько механизмов, в том числе измененная генетика гена гемоглобина у морских свинок и оленей мышей. [33] [34] Оленьи мыши используют высокий процент жиров в качестве метаболического топлива для сохранения углеводов для небольших всплесков энергии. [35]
Другие физиологические изменения, которые происходят у грызунов на большой высоте, включают увеличение частоты дыхания [36] и изменение морфологии легких и сердца, что обеспечивает более эффективный газообмен и доставку. Легкие у высотных мышей крупнее, в них больше капилляров [37] , а у их сердца более тяжелый правый желудочек (последнее относится и к крысам), [38] [39] , который перекачивает кровь в легкие.
На больших высотах некоторые грызуны даже смещают свою термонейтральную зону , чтобы поддерживать нормальный уровень основного обмена при более низких температурах. [40]
Мышь-олень ( Peromyscus maniculatus ) — наиболее изученный вид, помимо человека, с точки зрения высотной адаптации. [1] Обнаружено, что мыши-олени, обитающие в высокогорьях Анд (на высоте до 3000 м (9800 футов)) имеют относительно низкое содержание гемоглобина. [41] Измерение потребления пищи, массы кишечника и массы сердечно-легочных органов показало пропорциональное увеличение у мышей, живущих на больших высотах, что, в свою очередь, показывает, что жизнь на больших высотах требует более высокого уровня энергии. [42] Вариации в генах глобина ( α и β-глобин ), по-видимому, являются основой повышенного сродства гемоглобина к кислороду и более быстрой транспортировки кислорода. [43] [44] Структурные сравнения показывают, что в отличие от нормального гемоглобина в гемоглобине мыши-оленя отсутствует водородная связь между α1Trp14 в спирали A и α1Thr67 в спирали E из-за замены Thr 67 Ala , и имеется уникальная водородная связь. связь на границе раздела α1β1 между остатками α1Cys34 и β1Ser128 . [45] Аборигенные перуанские виды мышей ( Phyllotis andium и Phyllotis xanthopygus ) адаптировались к высоким Андам, используя пропорционально больше углеводов и имеют более высокие окислительные способности сердечных мышц по сравнению с близкородственными местными видами, обитающими на низких высотах (100–300 м (330–980 футов)), ( Phyllotis amicus и Phyllotis limatus ). Это показывает, что у горных мышей развился метаболический процесс, позволяющий экономить использование кислорода при физической активности в условиях гипоксии. [46]
Среди домашних животных яки ( Bos grunniens ) — самые высокие обитающие животные в мире, живущие на высоте 3000–5000 м (9800–16400 футов). Як является самым важным домашним животным для тибетских горцев в провинции Цинхай в Китае , поскольку он является основным источником молока , мяса и удобрений . В отличие от других видов яков и крупного рогатого скота , страдающих от гипоксии на Тибетском нагорье, тибетские домашние яки процветают только на большой высоте, а не в низинах. Их физиология хорошо адаптирована к большой высоте, у них пропорционально большие легкие и сердце, чем у другого крупного рогатого скота, а также большая способность транспортировать кислород через кровь. [47] У яков фактор 1 , индуцируемый гипоксией ( HIF-1 ), имеет высокую экспрессию в мозге , легких и почках , что показывает, что он играет важную роль в адаптации к среде с низким содержанием кислорода. [48] 1 июля 2012 года было объявлено о полной последовательности генома и анализе самки домашнего яка, что дало важную информацию для понимания дивергенции и адаптации млекопитающих на большой высоте. Были идентифицированы различные расширения генов, связанные с сенсорным восприятием и энергетическим метаболизмом. [49] Кроме того, исследователи также обнаружили обогащение белковых доменов, связанных с внеклеточной средой и гипоксическим стрессом, которые подверглись позитивному отбору и быстрой эволюции. Например, они обнаружили три гена, которые могут играть важную роль в регулировании реакции организма на гипоксию, и пять генов, которые связаны с оптимизацией энергии при нехватке пищи на крайнем плато. Один ген, который, как известно, участвует в регуляции реакции на низкий уровень кислорода, ADAM17, также обнаружен у людей тибетских горцев. [50] [51]
Более 81 миллиона человек постоянно живут на больших высотах (>2500 м (8200 футов)) [52] в Северной , Центральной и Южной Америке , Восточной Африке и Азии и на протяжении тысячелетий процветали в исключительно высоких горах без каких-либо видимых осложнений. . [53] Для среднего населения кратковременное пребывание в этих местах может привести к риску горной болезни . [54] Для коренных горцев пребывание на большой высоте не оказывает никаких негативных последствий.
Физиологические и генетические адаптации у коренных горцев включают модификацию системы транспорта кислорода в крови , особенно молекулярные изменения в структуре и функциях гемоглобина — белка, переносящего кислород в организме. [53] [55] Это сделано для компенсации низкого содержания кислорода в окружающей среде . Эта адаптация связана с такими особенностями развития, как высокая масса тела при рождении , увеличение объема легких , усиление дыхания и более высокий метаболизм в состоянии покоя . [56] [57]
Геном тибетцев дал первый ключ к молекулярной эволюции высотной адаптации в 2010 году. [58] Обнаружено , что такие гены, как EPAS1 , PPARA и EGLN1 , имеют значительные молекулярные изменения среди тибетцев, и эти гены участвуют в производстве гемоглобина . . [59] Эти гены функционируют совместно с факторами транскрипции, факторами, индуцируемыми гипоксией ( HIF ), которые, в свою очередь, являются центральными медиаторами производства эритроцитов в ответ на метаболизм кислорода. [60] Кроме того, тибетцы богаты генами класса заболеваний репродуктивной функции человека (такими как гены из кластеров генов DAZ , BPY2 , CDY и HLA-DQ и HLA-DR ) и категориями биологических процессов, отвечающих на повреждение ДНК. стимулы и восстановление ДНК (такие как RAD51 , RAD52 и MRE11A ), которые связаны с адаптивными особенностями, такими как высокий вес ребенка при рождении и более темный оттенок кожи , и, скорее всего, обусловлены недавней местной адаптацией. [61]
Среди жителей Анд не существует значительной связи между EPAS1 или EGLN1 и концентрацией гемоглобина, что указывает на различия в характере молекулярной адаптации. [62] Однако EGLN1 , по-видимому, является основным признаком эволюции, поскольку он свидетельствует о положительном отборе как у тибетцев, так и у жителей Анд. [63] Адаптационный механизм у эфиопских горцев иной. Геномный анализ двух этнических групп, амхара и оромо , показал, что вариации генов, связанные с различиями гемоглобина среди тибетцев или другими вариантами в том же месте гена , не влияют на адаптацию у эфиопов. [64] Вместо этого у эфиопов, по-видимому, задействовано несколько других генов, в том числе CBARA1 , VAV3 , ARNT2 и THRB , которые, как известно, играют роль в генетических функциях HIF . [65]
Мутация EPAS1 в тибетском населении была связана с популяциями, родственными денисовцам . [66] Тибетский гаплотип больше похож на денисовский гаплотип, чем на любой современный человеческий гаплотип. Эта мутация наблюдается с высокой частотой у тибетской популяции, с низкой частотой у ханьской популяции, а в остальном наблюдается только у секвенированных денисовцев. Эта мутация, должно быть, присутствовала до того, как ханьское и тибетское население разошлось 2750 лет назад. [66]
Птицы особенно преуспели в жизни на больших высотах. [67] В целом птицы обладают физиологическими особенностями, благоприятными для полета на большой высоте. Дыхательная система птиц перемещает кислород через поверхность легких как при вдохе, так и при выдохе, что делает ее более эффективной, чем у млекопитающих. [68] Кроме того, воздух циркулирует в одном направлении через парабронхиолы в легких. Парабронхиолы ориентированы перпендикулярно легочным артериям , образуя перекрестный газообмен. Такое расположение позволяет извлекать больше кислорода по сравнению с одновременным газообменом у млекопитающих ; поскольку кислород диффундирует вниз по градиенту концентрации и воздух постепенно становится более дезоксигенированным, легочные артерии все еще способны извлекать кислород. [69] [ нужна страница ] Птицы также обладают высокой способностью доставлять кислород к тканям, поскольку у них больше сердце и ударный объем сердца по сравнению с млекопитающими такого же размера тела. [70] Кроме того, у них повышена васкуляризация летательных мышц из-за увеличения разветвления капилляров и мелких мышечных волокон (что увеличивает соотношение площади поверхности к объему ). [71] Эти две особенности облегчают диффузию кислорода из крови в мышцы, позволяя поддерживать полет во время гипоксии окружающей среды. Сердце и мозг птиц, очень чувствительные к артериальной гипоксии, более васкуляризированы по сравнению с млекопитающими. [72] Гусь с горкой ( Anser indicus ) — культовый высокогорный летчик, который преодолевает Гималаи во время миграции, [73] и служит модельной системой для производных физиологических адаптаций к полетам на большой высоте. Стервятники Рюппеля , лебеди-кликуны , альпийские галки и обыкновенные журавли пролетели на высоте более 8 км (26 000 футов) над уровнем моря.
Адаптация к большой высоте интересовала орнитологов на протяжении десятилетий, но изучена лишь небольшая часть высокогорных видов. В Тибете встречается немного птиц (28 эндемичных видов ), в том числе журавли , грифы , ястребы , сойки и гуси . [29] [31] [74] Анды довольно богаты разнообразием птиц. Андский кондор , самая крупная птица своего вида в Западном полушарии , встречается на большей части Анд, но обычно с очень низкой плотностью; виды тинамусов (особенно представителей рода Nothoprocta ), андский гусь , гигантская лысуха , андский мерцающий кулик , диадемный кулик , горный попугай , горняки , сьерры и двустворчатые вьюрки также встречаются в высокогорье. [75] [76]
Доказательства адаптации лучше всего исследовать среди андских птиц. Обнаружено, что водоплавающие птицы и коричный чирок ( Anas cyanoptera ) претерпели значительные молекулярные модификации . В настоящее время известно, что ген субъединицы альфа-гемоглобина высоко структурирован между уровнями в популяциях коричного чирка, что почти полностью включает одну несинонимическую аминокислотную замену в положении 9 белка , при этом аспарагин присутствует почти исключительно в пределах низкого уровня. видов и серин у высокогорных видов. Это подразумевает важные функциональные последствия для сродства к кислороду. [77] Кроме того, существует сильное расхождение в размерах тела в Андах и прилегающих низменностях. Эти изменения привели к явным морфологическим и генетическим расхождениям в южноамериканских популяциях коричного чирка. [78]
В 2013 году молекулярный механизм высотной адаптации был выяснен у тибетской земляной синицы ( Pseudopodoces humilis ) с использованием проекта последовательности генома. Расширение семейства генов и анализ положительно отобранных генов выявили гены, связанные с сердечной функцией у земляной синицы. Некоторые из генов, имеющих положительный отбор, включают ADRBK1 и HSD17B7 , которые участвуют в реакции адреналина и биосинтезе стероидных гормонов . Таким образом, усиленная гормональная система является адаптационной стратегией этой птицы. [79]
В Альпийском Тибете обитает ограниченное разнообразие видов животных, среди которых распространены змеи . В Тибетском нагорье обитают только две эндемичные рептилии и десять эндемичных амфибий . [74] Gloydius Himalayanus , пожалуй, географически самая высокая из ныне живущих змей в мире, живущая на высоте 4900 м (16 100 футов) в Гималаях. [80] Еще одним известным видом является гималайский паук-прыгун , который может жить на высоте более 6500 м (21300 футов) над уровнем моря. [29]
В высокогорной среде обитает множество различных видов растений. К ним относятся многолетние травы , осоки , разнотравье , подушечки , мхи и лишайники . [81] Высотные растения должны адаптироваться к суровым условиям окружающей среды, которые включают низкие температуры, засушливость, ультрафиолетовое излучение и короткий вегетационный период. Деревья не могут расти на большой высоте из-за низкой температуры или недостатка влаги. [82] : 51 Отсутствие деревьев создает экотон или границу, очевидную для наблюдателей. Эта граница известна как линия дерева .
Самый высокогорный вид растений — мох , который растет на высоте 6480 м (21 260 футов) на горе Эверест . [83] Песчаница Arenaria bryophylla — самое высокое цветущее растение в мире, его высота достигает 6180 м (20 280 футов). [84]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )