Jak organizmy wpływają wzajemnie na swoją ewolucję

Na japońskiej wyspie Yaku-shima organizmy roślinne regularnie jedzona przez jelenie zmniejszyła wzrost i stała się roślinnością karłowatą – dowodzą naukowcy na łamach Journal of Ecology.

Badania roślin na japońskiej wyspie

.Miniaturowe rośliny rosną na całym świecie, ale największy wpływ na organizmy miały w przeszłości czynniki środowiskowe – takie jak zimno, susza lub wietrzny klimat.

Na wyspie Yaku-shima w południowej Japonii, na obszarach o alpejskim klimacie występuje ponad 80 gatunków roślin karłowatych, których wielkość jest zaledwie ułamkiem wielkości ich bliskich krewnych żyjących na większych japońskich wyspach. „Zjawisko to od dawna intryguje naukowców” – powiedział Daiki Takahashi z Tohoku University w Japonii, cytowany przez „New Scientist”.

Wyspę zamieszkuje 12–16 tys. japońskich jeleni sika (Cervus nippon yakushimae). W porównaniu z kontynentalną częścią Japonii i innymi wyspami zagęszczenie jeleni jest tam od pięciu do dziesięciu razy większe – ze względu na brak drapieżników.

W 2017 roku Daiki Takahashi i jego współpracownicy odwiedzili wyspę Yaku-shima i zauważyli maleńkie rośliny obok gatunków o standardowej wielkości. Te organizmy nie są jedzone przez jelenie.

Zespół pobrał wymiary 40 par blisko spokrewnionych gatunków roślin górskich. Każda para składała się z rośliny pochodzącej z wyspy i z kontynentu. 33 spośród 40 par różniło się znacznie wielkością, a niektóre rośliny z terenu Yaku-shimy osiągnęły zaledwie jedną dziesiątą wielkości swoich odpowiedników z kontynentu.

Organizmy podążają tymi samymi ścieżkami ewolucyjnymi

.Naukowcy przeanalizowali różnice w opadach, nasłonecznieniu i poziomie składników odżywczych występujących na wyspie i kontynencie, ale odkryli, że żaden czynnik nie tłumaczył ewolucji roślin karłowatych. Ostatecznie badacze doszli do wniosku, że to regularna konsumpcja tych roślin przez jelenie doprowadziła do trwałych zmian w rozwoju roślin.

Takahashi i jego współpracownicy przeanalizowali DNA roślin, aby zrekonstruować ich historię ewolucyjną i odkryli, że rośliny karłowate ewoluowały przez dziesiątki tysięcy lat, prawdopodobnie właśnie pod wpływem ciągłej obecności jelenia sika.

Odkrycie to pokazuje „siłę ewolucji, która kształtuje nie tylko jeden konkretny organizm, ale całe gromady organizmów podążające tymi samymi ścieżkami ewolucyjnymi” – powiedział Kevin Burns z Victoria University of Wellington w Nowej Zelandii, cytowany przez „New Scientist”.

Naukowcy chcą w przyszłości zbadać, czy wspólne geny prowadzą do karłowatości u odlegle spokrewnionych gatunków roślin.

Różne spojrzenia na ewolucje

Tomoko OHTA, honorowa profesor Państwowego Instytutu Genetyki w Mishimie (Japonia) pisze na łamach Wszystko co Najważniejsze, że najnowsze odkrycia, które przyniosły lepsze zrozumienie mechanizmów molekularnych, zrewolucjonizowały wiele dziedzin biologii, w tym biologię komórki i biologię rozwoju. Nic zatem dziwnego, że postępy te pozwalają spojrzeć na nowo na wiele aspektów ewolucjonizmu; dostarczają też dowodów wspierających opracowaną przeze mnie w 1973 roku „prawie neutralistyczną teorię ewolucji molekularnej”.

W nauce często bywa tak, że nowe odkrycia przynoszą więcej pytań niż odpowiedzi. I rzeczywiście, moja dziedzina badań przechodzi obecnie okres zmian najintensywniejszych w 150-letniej historii ewolucjonizmu.

Przez mniej więcej stulecie po wydaniu O powstawaniu gatunków Karola Darwina naukowcy byli przekonani, że mutacje genetyczne przebiegają z grubsza tak, jak to opisał twórca teorii ewolucji. Osobniki wyposażone w lepsze warianty genowe mają większą szansę przeżycia, wydania na świat potomstwa i przekazania swych genów następnym pokoleniom niż osobniki pozbawione wariantów genowych.

W efekcie mutacje szkodliwe szybko zanikają w populacji. Natomiast te korzystne rozprzestrzeniają się, aż w końcu ich nosicielem są wszystkie osobniki gatunku. Zmiany ewolucyjne, w tym także zmiany morfologiczne, uważano za efekt akumulacji i dystrybucji korzystnych mutacji, a skład genetyczny populacji był, jak uważano, bliski homogeniczności, zaś różnice między osobnikami wynikały z nielicznych losowych mutacji.

Pogląd ten został podważony, gdy odkryto budowę i rolę DNA. Naukowcy nauczyli się analizować genetyczny skład osobników, a wtedy wyszło na jaw, że zmienność wewnątrzpopulacyjna jest znacznie większa, niż wynikałoby z obowiązujących hipotez ewolucyjnych. Okazało się też, że osobniki mogą mieć podobne cechy, ale zupełnie różne sekwencje genów. Wyglądało na to, że jest to sprzeczne z zasadami ewolucji przebiegającej drogą doboru naturalnego.

Do najbardziej istotnych problemów biologii ewolucyjnej należą próby zbadania i opisania na poziomie molekularnym mechanizmów ekspresji genów, stanowiących podłoże ewolucji morfologicznej. Dziedzina ta przechodzi okres intensywnych odkryć, prowadzących do lepszej znajomości wielu skomplikowanych systemów wewnątrzkomórkowych. Te działające na poziomie molekularnym systemy stanowią trzon epigenetyki, czyli badań powstawania cech, które są dziedziczone przez komórki potomne, ale nie są związane z różnicami w sekwencjach DNA.

Epigenetyka jest kluczem do zrozumienia związku między składem genetycznym, czyli genotypem, a cechami osobniczymi, które obserwujemy. U organizmów wyższych – na przykład u człowieka – procesy epigenetyczne są sterowane przez chromatynę, skomplikowane makrocząsteczki wewnątrzkomórkowe składające się z DNA, białka i RNA. Sposób działania chromatyny jest z kolei kształtowany zarówno przez czynniki genetyczne, jak i środowiskowe, a to sprawia, że zrozumienie mechanizmów jej funkcjonowania nie jest łatwe. Warto jednak podejmować trud badania tych szybko ewoluujących, bardzo zmiennych makrocząsteczek, bowiem to one mogą być przyczyną niektórych chorób człowieka.