На основе изучения древних останков и генетического материала ученые определили, как и когда растительный и животный мир Северного полушария приспосабливался к холодному климату. Исследования показали, что адаптация происходила не сразу, а в два основных этапа: первый из них начался около 2,6 миллиона лет назад, а второй – примерно 700 тысяч лет назад, в период перехода к более продолжительным и сложным ледниковым эпохам.
Примерно три миллиона лет назад на Земле начались повторяющиеся периоды оледенений. По мнению ученых, именно в этот период виды животных и растений, способные выдерживать низкие температуры, увеличивали свои территории распространения, следуя за циклами Миланковича — в периоды оледенений, длящиеся 41 и 21 тысячу лет, межледниковья, наоборот, характеризовались сокращением их продолжительности. В это же время у позвоночных происходило больше эволюционных изменений, чем у растений и насекомых. Данное явление ученые связывают с филогенетическим консерватизмом, подразумевающим не существенную «перестройку» организмов, а адаптацию посредством модификации уже имеющихся систем.
Мамонты, шерстистые носороги, росомахи и олени заселили территорию в плиоцене (5,4–2,4 миллиона лет назад) и в раннем плейстоцене (2,6–0,78 миллиона лет назад). Именно в этот период начали формироваться первые тундровые экосистемы. В дальнейшем, с увеличением продолжительности ледниковых периодов в среднем плейстоцене, появились такие виды, как тундровая куропатка, белый медведь и шерстистый мамонт. Их эволюция отличалась, и происходила в разное время. В связи с тем, что каждый вид индивидуально реагировал на изменения в окружающей среде, не представляется возможным говорить об общих адаптациях: одни виды мигрировали на север или в горные районы, другие – вглубь континента.
До появления палеогенетики определение времени появления холодоустойчивых групп организмов основывалось главным образом на изучении анатомических, физиологических и поведенческих характеристик современных видов. Благодаря анализу древних окаменелостей 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, некоторые виды прошли эволюционный путь в умеренных широтах, а затем, по мере наступления похолодания, переместились в Арктику. Второй сценарий предполагает, что адаптация происходила непосредственно в местах обитания, когда организмы, живущие в северных регионах, постепенно приспосабливались к изменяющимся условиям среды. Третий сценарий связан с так называемой предаптацией в горных экосистемах — холод там царил до оледенений, позволяя организмам подготовиться к будущим похолоданиям.
Лемминги и северные олени заселили Арктику в эпоху плейстоцена, примерно один-два миллиона лет назад. Белый медведь и песец, вероятно, мигрировали с юга около 700 тысяч лет назад, а шерстистый носорог обитал на Тибетском нагорье еще до наступления крупных оледенений в северных широтах.
Считается, что тундра, как экосистема, возникла (хотя и несколько отличаясь от современной) примерно 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.
Учитывая, что растительный и животный мир современной Арктики состоит из видов с различной эволюционной историей, ученые пришли к выводу об ошибочности подхода, рассматривающего арктические экосистемы как продукт однородного климатического пространства. Обитающие здесь виды являются следствием многомиллионных эволюционных и экологических изменений.
«Виды, адаптированные к холодному климату, особенно чувствительны к его изменениям. Изучение их эволюционного развития помогает определить угрозы, с которыми сегодня сталкиваются находящиеся под угрозой исчезновения виды», — отметил ведущий автор новой научной работы Джон Стюарт (John Stewart) из Борнмутского университета (Великобритания).