Καθώς τα ζώα αναμειγνύονται, ένα μπερδεμένο γενετικό φράγμα
Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις δεξιότητες αναρρίχησης δέντρων που τελειοποίησαν ως παιδιά μόλις ενηλικιωθούν. Αλλά για τον Jochen Wolf, έναν εξελικτικό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, η αναρρίχηση στα δέντρα είναι ένα ουσιαστικό μέρος της δουλειάς του. Περνάει τακτικά 60 πόδια πάνω στις κορυφές των δέντρων, όπου ξεριζώνει τα νεογέννητα κοράκια από τις φωλιές τους και τα κατεβάζει στην ομάδα του από κάτω.
Τα αναρριχητικά κατορθώματα του Wolf έχουν επικεντρωθεί σε δύο είδη πτηνών - τα κοράκια που κυριαρχούν στη δυτική Γερμανία και τα στενά συγγενικά κοράκια με κουκούλα που επικρατούν πιο ανατολικά, στη Σουηδία και την Πολωνία. Οι δύο ομάδες μπορούν να ζευγαρώσουν μεταξύ τους, αλλά φαίνονται πολύ διαφορετικές - τα κοράκια είναι μαύρα και τα κοράκια με κουκούλα έχουν μαύρο και γκρι σώμα - και τα πουλιά προτιμούν έντονα τους συντρόφους του είδους τους. Από όσο θυμάται κανείς, οι δύο ομάδες παρέμειναν ξεχωριστές, εκτός από μια στενή ζώνη βιότοπων που εκτείνεται από τη Δανία μέσω της ανατολικής Γερμανίας έως τη βόρεια Ιταλία, όπου μερικές φορές αναμειγνύονται.
Τα κοράκια παρουσιάζουν μια αινιγματική ερώτηση στους βιολόγους, η οποία αναλύει το τι σημαίνει να είσαι είδος:Δεδομένου ότι τα κοράκια με κουκούλα και τα πτώματα μπορούν να ζευγαρώσουν και να ανταλλάξουν γονίδια, πώς διατηρούν οι δύο ομάδες τις ατομικές τους ταυτότητες; Είναι σαν να ανακάτεψες κόκκινο και κίτρινο χρώμα σε έναν κουβά, αλλά τα δύο χρώματα αρνήθηκαν πεισματικά να κάνουν πορτοκαλί.
Σε νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο στο περιοδικό Science, η ομάδα του Wolf ανακάλυψε ότι ένα εκπληκτικά μικρό κομμάτι DNA μπορεί να κρύβει την απάντηση. Μια σύγκριση των γονιδιωμάτων του πτώματος και του κορακιού με κουκούλα έδειξε ότι οι αλληλουχίες είναι σχεδόν πανομοιότυπες. Οι διαφορές σε μόλις 82 γράμματα DNA, σε σύνολο περίπου 1,2 δισεκατομμυρίων, φαίνεται να χωρίζουν τις δύο ομάδες. Σχεδόν όλα συγκεντρώνονται σε ένα μικρό μέρος ενός χρωμοσώματος. «Ίσως λίγα μόνο γονίδια κάνουν ένα είδος αυτό που είναι», είπε ο Chris Jiggins, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Cambridge στην Αγγλία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Ίσως το υπόλοιπο γονιδίωμα μπορεί να ρέει, επομένως τα είδη είναι πολύ πιο ρευστά από ό,τι φανταζόμασταν πριν."
Τα ευρήματα είναι εντυπωσιακά γιατί υποδηλώνουν ότι λίγα μόνο γονίδια μπορούν να κρατήσουν δύο πληθυσμούς χώρια. Κάτι μέσα σε αυτό το τμήμα του DNA εμποδίζει τα μαύρα κοράκια να ζευγαρώνουν με γκρίζα και αντίστροφα, δημιουργώντας ένα αδύναμο φράγμα ζευγαρώματος που θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει ένα από τα πρώτα βήματα στο σχηματισμό νέων ειδών. "Φαίνονται πολύ διαφορετικά και προτιμούν να ζευγαρώνουν με το δικό τους είδος και όλα αυτά πρέπει να ελέγχονται από αυτές τις στενές περιοχές", είπε ο Jiggins.
Τα κοράκια δεν είναι μόνα στη συμπεριφορά τους. Ένας κατακλυσμός γενετικών δεδομένων τα τελευταία χρόνια υποδηλώνει ότι η διασταύρωση μεταξύ ειδών είναι πιο διαδεδομένη από ό,τι φαντάζονταν οι επιστήμονες. «Νομίζω ότι οι άνθρωποι θα εκπλαγούν και η άποψη των ειδών θα αμφισβητηθεί καθώς έρχονται περισσότερα δεδομένα», είπε ο Jiggins. "Νομίζω ότι θα οδηγήσει σε μια θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο βλέπουν τι είναι ένα είδος."
Άγνωστο είδος
Ο παραδοσιακός τρόπος για να οριστούν δύο συγγενείς οργανισμοί ως ξεχωριστά είδη είναι η αδυναμία τους να ζευγαρώσουν. Ο Σουηδός φυσιοδίφης Carl Linnaeus, ο οποίος περιπλανήθηκε στις αίθουσες του Πανεπιστημίου της Ουψάλα πριν από περισσότερα από 250 χρόνια, χρησιμοποίησε αυτόν τον ορισμό όταν δημιούργησε το σύστημα ταξινόμησης που χρησιμοποιούμε ακόμα σήμερα. Αλλά οι επιστήμονες διαφωνούν για το τι κάνει ένα είδος για περισσότερο από έναν αιώνα.
Ο ίδιος ο Κάρολος Δαρβίνος αρνήθηκε να ορίσει την έννοια στο βιβλίο-ορόσημο του «On the Origin of Species». «Ο Δαρβίνος, όταν απέδειξε ότι τα είδη εξελίχθηκαν, απέδειξε επίσης ότι δεν υπήρχε τέτοιο πράγμα όπως τα είδη», είπε ο Τζέιμς Μάλετ, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Εάν οι οργανισμοί εξελίσσονται συνεχώς, τότε θα είναι αναγκαστικά δύσκολο να χαράξουμε μια ακριβή διαχωριστική γραμμή μεταξύ δύο διαφορετικών ειδών.
Πράγματι, οι εξελικτικοί βιολόγοι τείνουν να υιοθετούν μια πιο ρεαλιστική προσέγγιση για τον ορισμό των ειδών, μια προσέγγιση που εξαρτάται από τη λεωφόρο μελέτης τους. Μια διάκριση θα μπορούσε να βασίζεται σε μορφολογικές ή γενετικές διαφορές, για παράδειγμα. "Όταν αρχίζουμε να μιλάμε για είδη, είναι στο μάτι του θεατή", είπε ο Wolf.
Το πιο ενδιαφέρον και σημαντικό ερώτημα, λένε οι βιολόγοι, είναι τι οδηγεί δύο πληθυσμούς να αποκλίνουν, μια διαδικασία γνωστή ως ειδογένεση. Αυτό το ερώτημα έχει ενταθεί τα τελευταία πέντε χρόνια με την ταχεία πρόοδο της γονιδιωματικής τεχνολογίας. Μέχρι πρόσφατα, η μελέτη της ειδογένειας επικεντρωνόταν στην οικολογία και τη συμπεριφορά στο πεδίο, καθώς και σε πειράματα ζευγαρώματος, αλλά οι επιστήμονες βρίσκονται πλέον σε θέση να αναλύσουν το γονιδίωμα ενός θηριοτροφείου άγριων πλασμάτων, συμπεριλαμβανομένων των στενά συγγενών πλασμάτων. «Μόλις πριν από λίγα χρόνια, δεν ήταν δυνατό να προσδιοριστεί η αλληλουχία του γονιδιώματος των άγριων οργανισμών», είπε ο Wolf. "Τώρα μπορούμε, και αυτό είναι φανταστικό."
Τα αποτελέσματα - από μελέτες σε κοράκια, πεταλούδες, κουνούπια, ψάρια και άλλους οργανισμούς - υποδηλώνουν ότι η έννοια του είδους είναι ακόμη πιο μπερδεμένη από όσο πιστεύαμε και ότι οι γενετικές αλλαγές δεν ευθυγραμμίζονται πάντα με πιο ορατές, όπως η εμφάνιση. "Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα είδη έχουν μεγάλες μορφολογικές και συμπεριφορικές αλλαγές με λίγες μόνο γενετικές αλλαγές, και σε άλλες περιπτώσεις, υπάρχουν πολλές γενετικές αλλαγές με λίγα ορατά αποτελέσματα", δήλωσε ο Μάθιου Χαν, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα.
Birds of a Feather
Όταν ο Λύκος τραβάει τον εαυτό του από ένα κλαδί προς μια φωλιά, τα νεαρά πουλιά δεν τρομάζουν ιδιαίτερα όταν τον βλέπουν. Αντίθετα, «ανοίγουν το στόμα τους, περιμένοντας να τους ταΐσουν», είπε ο Wolf. Ωστόσο, οι γονείς τους αισθάνονται διαφορετικά, φωνάζοντας από κοντινές κορυφές δέντρων. «Πάντα επιστρέφουν σε αυτούς», είπε η Christen Bossu, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο του Wolf.
Η ομάδα του Wolf μετρά το μήκος και το χρώμα των φτερών των νεαρών πτηνών και συλλέγει δείγματα αίματος για γονιδιωματικές μελέτες πριν τα επιστρέψει στη φωλιά. Στην πρόσφατη εργασία τους, οι ερευνητές όχι μόνο εξέτασαν τον γενετικό κώδικα, αλλά μελέτησαν επίσης πώς η δραστηριότητα των γονιδίων ποικίλλει μεταξύ των δύο πληθυσμών. Βρήκαν τη μεγαλύτερη διαφορά στα γονίδια που παράγουν τη χρωστική ουσία, τα οποία είναι ενεργά στον ιστό του δέρματος και ελέγχουν το χρώμα των φτερών. Πολλά από αυτά τα γονίδια βρίσκονται μέσα στο τμήμα DNA που διαφέρει μεταξύ κορακιών με πτώματα και κοράκια με κουκούλα, υποδηλώνοντας ότι κατά κάποιο τρόπο τα γονίδια χρωστικής που δίνουν στις δύο ομάδες τη μοναδική τους εμφάνιση κρατούν επίσης τα είδη ξεχωριστά. Αλλά πώς;
Η πιο προφανής εξήγηση είναι ότι τα γονίδια σε αυτήν την περιοχή επηρεάζουν επίσης τον τρόπο με τον οποίο τα πουλιά επιλέγουν τους συντρόφους τους. Το λεγόμενο συνδυαζόμενο ζευγάρωμα, στο οποίο τα ζώα που μοιάζουν είναι πιο πιθανό να ζευγαρώσουν μεταξύ τους, είναι μία από τις αιτίες ανάπτυξης νέων ειδών. Η απλή αποτύπωση είναι ένας τρόπος να οδηγήσεις αυτό το φαινόμενο. Αν σας μεγάλωσε ένα γκρίζο κοράκι, μπορεί να προτιμήσετε ένα γκρίζο κοράκι για σύντροφο.
Μια δεύτερη δυνατότητα συνδυάζει την επιλογή συντρόφου, την παλέτα χρωμάτων και την όραση. Ίσως τα μαύρα κοράκια μπορούν να δουν άλλα μαύρα κοράκια πιο εύκολα από ό,τι μπορούν να δουν κοράκια με κουκούλα και έτσι είναι πιο πιθανό να ζευγαρώσουν μαζί τους, είπε ο Wolf. Εάν τα γονίδια που σχετίζονται με το χρώμα και τα γονίδια που εμπλέκονται σε αυτήν την πτυχή της όρασης βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο στο γονιδίωμα, είναι πιο πιθανό να κληρονομηθούν μαζί. (Όσο πιο μακριά βρίσκονται δύο γονίδια στο γονιδίωμα, τόσο πιο πιθανό είναι να διαχωριστούν όταν μεταδοθούν.) Δύο γειτονικά γονίδια με αυτό το είδος συνεργιστικής επίδρασης στην επιλογή συντρόφου θα μπορούσαν εύκολα να οδηγήσουν στον διαχωρισμό του είδους. Πράγματι, οι ερευνητές βρήκαν ένα γονίδιο στην περιοχή που πιθανότατα συνδέεται με την όραση. Πιστεύουν ότι επηρεάζει το πόσο καλά αντιλαμβάνονται τα πουλιά την αντίθεση, μια υπόθεση που δοκιμάζουν τώρα σε αιχμάλωτα κοράκια.
Τα ενήλικα κοράκια είναι πολύ έξυπνα για να συλληφθούν, έτσι τον Μάιο, λίγο πριν εμφανιστεί η εργασία του στο Science, ο Wolf ξεκίνησε μια άλλη εκδρομή για αναρρίχηση σε δέντρα. Εκτός από αίμα και φτερά, μάζεψε καμιά δεκαριά μωρά πουλιά. Τώρα μεγαλώνουν σε ένα νέο πτηνοτροφείο στη Σουηδία, όπου τρώνε επιστήμονες έξω από το σπίτι και το σπίτι. (Οι καρδιές των βοοειδών είναι ένα από τα αγαπημένα τους γεύματα.) Οι ερευνητές θα εκπαιδεύσουν τα πουλιά να ανταποκρίνονται σε οπτικές ενδείξεις, όπως φώτα που αναβοσβήνουν, και στη συνέχεια θα καταλάβουν εάν τα κοράκια με κουκούλα και τα πτώματα μπορούν να ανιχνεύσουν διαφορετικές οπτικές αντιθέσεις. Σύμφωνα με τον Wolf, είναι πιθανό τα μαύρα κοράκια να ανιχνεύουν ισχυρές οπτικές αντιθέσεις διαφορετικά από τα κοράκια με κουκούλα, γεγονός που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί αναζητούν άλλα μαύρα κοράκια ως συντρόφους.
Εφέ πεταλούδας
Τα κοράκια του Wolf δεν είναι το μόνο σύνολο ειδών διασταύρωσης που διατηρούν τη διακριτή τους ταυτότητα. Σε όλο τον Ατλαντικό, δύο είδη πεταλούδας heliconius - η cydno longwing (Heliconius cydno) και η πεταλούδα ταχυδρόμος (H. melpomene) - κατοικούν σε επικαλυπτόμενες τοποθεσίες στη Νότια Αμερική και μπορούν να ζευγαρώσουν μεταξύ τους παρά τη διαφορετική τους εμφάνιση, αν και συμβαίνει σπάνια. Το cydno longwing είναι μαύρο με λευκά ή κίτρινα σημάδια και ο ταχυδρόμος είναι μαύρος με κόκκινα και κίτρινα σημάδια. Καθεμία έχει εξελιχθεί για να μιμείται το σχέδιο των φτερών μιας διαφορετικής δηλητηριώδους πεταλούδας, η οποία βοηθά στην προστασία τους από τη θήρα. Όμως, όπως τα κοράκια του Wolf, το cydno longwing και ο ταχυδρόμος προτιμούν να ζευγαρώνουν με το δικό τους είδος.
Η ανάλυση του γονιδιώματος δείχνει ότι τα δύο είδη ανταλλάσσουν γονίδια με εκπληκτικό ρυθμό. Αλλά κάθε είδος έχει τμήματα γονιδιώματος μοναδικά στο είδος του, τα οποία φαίνεται να επιμένουν παρά την ανάμειξη του υπόλοιπου γονιδιώματος. Είναι σαν αυτά τα μέρη του γονιδιώματος να είναι φτιαγμένα από λάδι και το υπόλοιπο νερό. το νερό αναμιγνύεται εύκολα, αλλά το λάδι παραμένει σε ευδιάκριτα σταγονίδια.
Οι επιστήμονες έχουν ονομάσει τέτοιες περιοχές του γονιδιώματος «νησιά της ειδογένεσης». Η επιμονή τέτοιων νησιών είναι ένα φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί σε διάφορους οργανισμούς. Η φυσική επιλογή φαίνεται να ασκεί εξελικτική πίεση σε αυτές τις περιοχές, η οποία διατηρεί τόσο τα γονίδια όσο και τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά τους διακριτά ακόμη και σε περίπτωση διασταυρώσεων, ενώ το υπόλοιπο γονιδίωμα μπορεί να αναμιχθεί. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτές οι περιοχές κάνουν το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς στη διατήρηση μεμονωμένων ειδών, ίσως διατηρώντας διαφορετικά χρωματικά σχέδια ή συμπεριφορά ζευγαρώματος. Ο Τζίγκινς και άλλοι προσπαθούν τώρα να καταλάβουν ποια είδη γονιδίων βρίσκονται σε αυτά τα νησιά και πώς απομακρύνουν δύο πληθυσμούς. «Όταν αρχίζετε να αποκλίνετε, ποιοι τύποι γονιδίων αποκλίνουν πρώτα; Ποια γονίδια οδηγούν την ειδογένεση; Ποια είναι τα πρώτα πράγματα που διαφοροποιούνται;» ρώτησε ο Χαν.
Ένας σημαντικός οδηγός αυτής της διαδικασίας μπορεί να είναι γονίδια που ελέγχουν πολλαπλά χαρακτηριστικά. «Συχνά φαίνεται να υπάρχουν μερικά γονίδια στο γονιδίωμα που έχουν μεγάλες επιδράσεις, συχνά σε πολλά πράγματα», δήλωσε ο Ole Seehausen, εξελικτικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βέρνης στην Ελβετία. "Ένα γονίδιο που επηρεάζει το πόσο καλά τα πάει ένα άτομο στο ένα ή στο άλλο περιβάλλον μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο που βλέπουν ο ένας τον άλλον και πώς ζευγαρώνουν μεταξύ τους." Τα γονίδια που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους στο γονιδίωμα (όπως τα γονίδια της χρωστικής και της όρασης των κορακιών) μπορεί να έχουν το ίδιο αποτέλεσμα, καθώς τείνουν να κληρονομούνται μαζί.
Η συμπεριφορά των πεταλούδων heliconius υποστηρίζει αυτήν την ιδέα. Αφού οι επιστήμονες παρατήρησαν χρόνια ζευγαρώματος στο εργαστήριο, εντόπισαν ένα γονίδιο που συνδέεται με το σχέδιο των φτερών, το οποίο διαφέρει μεταξύ των δύο ειδών. Ένα γειτονικό γονίδιο συνδέεται με την προτίμηση ζευγαρώματος, αν και οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη εντοπίσει το συγκεκριμένο γονίδιο.
Συνολικά, η έρευνα αρχίζει να δημιουργεί μια εικόνα της διαδικασίας της ειδογένεσης. Μπορεί να ξεκινά με μια μικρή περιοχή του γονιδιώματος, που πιθανόν να φιλοξενεί γονίδια που συνδέονται με το ζευγάρωμα, όπως φαίνεται να συμβαίνει με τα κοράκια. Στη συνέχεια, αυτή η περιοχή επεκτείνεται και νέα νησιά που φιλοξενούν άλλα αποκλίνοντα γονίδια εμφανίζονται, δημιουργώντας νησίδες ειδογένεσης σε όλο το γονιδίωμα.
Συνάντηση στα μισά του δρόμου
Η υβριδική ζώνη των κορακιών - η στενή λωρίδα γης όπου αναμειγνύονται τα πτώματα και τα κοράκια με κουκούλα - δεν είναι με κανέναν τρόπο δραματική. Κανένα βουνό δεν το ξεχωρίζει, εμποδίζοντας το ένα είδος από το άλλο. Το τοπίο στα ανατολικά και στα δυτικά είναι παρόμοιο, με τα δύο είδη να κατοικούν στον ίδιο τύπο δασών. Το πώς ακριβώς οι δύο ομάδες δημιούργησαν τα εδάφη τους δεν είναι ακόμη σαφές.
David Kaplan, Tom Hurwitz, Richard Fleming και Tom McNamara για το Quanta Magazine. μουσική από τον Podington Bear.
Βίντεο: Ο David Kaplan διερευνά γιατί είναι δύσκολο να βρεθεί ένας απλός ορισμός των ειδών.
Οι ομάδες πιθανώς χωρίστηκαν κατά την εποχή των παγετώνων, όταν οι παγετώνες κάλυψαν επανειλημμένα τη βόρεια Ευρώπη. Κοράκια και άλλα ζώα μετακινήθηκαν νότια, πιθανότατα βρίσκοντας καταφύγιο σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες. Όταν οι παγετώνες υποχώρησαν, οι δύο πληθυσμοί μετακινήθηκαν βόρεια, συναντώντας την υβριδική ζώνη. Αλλά οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη αν αυτό συνέβη στην τελευταία εποχή των παγετώνων, μόλις πριν από περίπου 10.000 έως 20.000 χρόνια, ή σε παλαιότερη, πριν από δύο εκατομμύρια χρόνια.
Αυτή η αβεβαιότητα υπογραμμίζει μια από τις προκλήσεις της μελέτης της ειδογένειας. Μερικές φορές δύο πολύ διαφορετικές πιθανές ιστορίες μπορούν να παράγουν το ίδιο γενετικό πρότυπο. Οι κοινές περιοχές του γονιδιώματος που περιβάλλουν τα νησιά των ειδών, για παράδειγμα, μπορεί να έχουν άλλες εξηγήσεις, όπως κοινή καταγωγή, όπως υποστήριξε ο Hahn σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Ιούλιο. Δύο είδη μπορεί να έχουν παρόμοια γονιδιώματα όχι μόνο επειδή αντάλλαξαν πρόσφατα γονίδια, αλλά επειδή μοιράζονται ένα μακρινό μητρικό είδος. «Οι άνθρωποι ξεπέρασαν τα όρια με την ερμηνεία των νησιών των ειδών», είπε ο Hahn.
Τα πτώματα και τα κοράκια με κουκούλα θα μπορούσαν να είναι αρκετά ηλικιωμένα είδη των οποίων το γονιδίωμα έγινε παρόμοιο μέσω διασταυρώσεων. Ή θα μπορούσαν να είναι αρκετά νέοι, έχοντας αποχωριστεί από έναν κοινό πρόγονο σχετικά πρόσφατα, με το μικρό κομμάτι της απόκλισης το πρώτο σημάδι της ειδογένεσης. Η ομάδα του Wolf ευνοεί την τελευταία ερμηνεία, αλλά ελπίζει να αντιμετωπίσει το ερώτημα άμεσα με περαιτέρω γενετική ανάλυση.
Τι σημαίνουν λοιπόν όλα αυτά για τον ορισμό του είδους; Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη μια οριστική απάντηση. Ο απλός ορισμός των ειδών με βάση τη γενετική δεν λύνει το πρόβλημα. Όπως έχουν δείξει ο Wolf και άλλοι, η απάντηση εξαρτάται από το πού στο γονιδίωμα κοιτάτε. «Είναι πραγματικά δύσκολο να χαράξεις ένα όριο», είπε ο Wolf. "Διαφορετικά μέρη του γονιδιώματος σας λένε διαφορετικά πράγματα."
