Nowe badanie zapewnia lepsze spojrzenie na przeplatające się historie ewolucyjne niedźwiedzi polarnych i brunatnych.
Stawanie się odrębnymi gatunkami nie powstrzymało całkowicie tych zwierząt przed kojarzeniem się ze sobą. Naukowcy wiedzą o tym od jakiegoś czasu, ale nowe badania opierają się na rozszerzonym zbiorze danych – w tym DNA ze starożytnego zęba niedźwiedzia polarnego – aby wydobyć więcej szczegółów.
Historia, która się wyłania, ujawnia złożoności podobne do tych, które komplikują ludzką historię ewolucyjną.
„Tworzenie i utrzymanie gatunków może być trudnym procesem”, mówi dr Charlotte Lindqvist, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych na Uniwersytecie w Buffalo College of Arts and Sciences oraz ekspert w dziedzinie genetyki niedźwiedzi. „To, co stało się z niedźwiedziami polarnymi i brunatnymi, jest zgrabną analogią do tego, czego dowiadujemy się o ewolucji człowieka: że podział gatunków może być niekompletny. Ponieważ coraz więcej starożytnych genomów zostało odzyskanych ze starożytnych populacji ludzkich, w tym neandertalczyków i denisowian , widzimy, że zachodziło wielokierunkowe mieszanie genetyczne, gdy różne grupy archaicznych ludzi łączyły się z przodkami współczesnych ludzi. Niedźwiedzie polarne i brunatne to kolejny system, w którym to się dzieje”.
„Znaleźliśmy dowody na krzyżowanie się niedźwiedzi polarnych i brunatnych, które są starsze niż badany przez nas starożytny niedźwiedź polarny” – mówi. Co więcej, nasze wyniki pokazują skomplikowaną, splecioną historię ewolucyjną wśród niedźwiedzi brunatnych i polarnych, z głównym kierunkiem przepływu genów w niedźwiedziach polarnych. To odwraca hipotezę sugerowaną przez innych badaczy, że przepływ genów był jednokierunkowy i wkraczając w niedźwiedzie brunatne u szczytu ostatniej epoki lodowcowej”.
Badanie zostanie opublikowane w 6 czerwca w Proceedings of National Academy of Sciences. Kierował nim Lindqvist w UB w USA; Luis Herrera-Estrella z National Laboratory of Genomics for Biodiversity (LANGEBIO) w Meksyku i Texas Tech University w USA; oraz Kalle Leppälä na Uniwersytecie w Oulu w Finlandii. Dr Tianying Lan, były badacz podoktorski UB, obecnie w Daicel Arbor Biosciences, był pierwszym autorem wraz z Leppälä.
Koncepcja niedźwiedzi polarnych przystosowanych do Arktyki, przechwytujących materiał genetyczny niedźwiedzi brunatnych, które są przystosowane do życia na niższych szerokościach geograficznych, jest jednym z kilku odkryć, które mogą zainteresować naukowców zajmujących się wpływem zmian klimatu na zagrożone gatunki.
W miarę ocieplania się świata i zmniejszania się lodu na Morzu Arktycznym niedźwiedzie polarne i brunatne mogą częściej spotykać się w miejscach, gdzie ich zasięgi się pokrywają. To sprawia, że ich wspólna historia ewolucyjna jest szczególnie intrygującym przedmiotem badań, mówi Lindqvist.
Podział gatunków może być kłopotliwym procesem
Jak wyjaśnia Lindqvist, naukowcy uważali kiedyś, że współcześni ludzie i neandertalczycy po prostu podzielili się na odrębne gatunki po wyewoluowaniu ze wspólnego przodka. Następnie naukowcy odkryli DNA neandertalczyka u współczesnych ludzi euroazjatyckich, co sugeruje, że współczesne populacje ludzkie otrzymały napływ genów od neandertalczyków w pewnym momencie ich wspólnej historii ewolucyjnej, mówi.
Dopiero później naukowcy zdali sobie sprawę, że to przemieszanie genetyczne uzupełniło populacje neandertalczyków o nowoczesne geny ludzkie, dodaje Lindqvist. Innymi słowy, krzyżowanie może być złożone, niekoniecznie jednokierunkowe, mówi.
Nowe badanie niedźwiedzi ujawnia niezwykle podobną historię: analiza wskazuje na hybrydyzację zarówno w genomie niedźwiedzia polarnego, jak i niedźwiedzia brunatnego, przy czym niedźwiedzie polarne są w szczególności nosicielami silnej sygnatury napływu DNA niedźwiedzi brunatnych – twierdzą naukowcy. Wcześniejsze badania proponowały tylko odwrotny wzór, mówi Lindqvist.
„To ekscytujące, w jaki sposób DNA może pomóc w ujawnieniu starożytnej historii życia. Kierunek przepływu genów jest trudniejszy do określenia niż tylko jego obecność, ale te wzorce są niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób przeszłe adaptacje przeniosły się między gatunkami, aby nadać współczesnym zwierzętom ich obecne cechy” – mówi Leppälä. Doktor, habilitant w jednostce badawczej nauk matematycznych na Uniwersytecie w Oulu.
„Genomika populacyjna to coraz potężniejszy zestaw narzędzi do badania ewolucji roślin i zwierząt oraz wpływu działalności człowieka i zmian klimatycznych na zagrożone gatunki” – mówi dr Herrera-Estrella, wybitny profesor genomiki roślin i dyrektor Instytutu Genomiki Upraw. Tolerancja na stres abiotyczny w Departamencie Techniki Roślin i Nauk o Glebie w Teksasie. Jest również emerytowanym profesorem w LANGEBIO. „Niedźwiedzie nie dostarczają prostych historii o specjacji, podobnie jak ewolucja człowieka. Te nowe badania genomiczne sugerują, że grupy gatunków ssaków mogą ukrywać skomplikowane historie ewolucyjne”.
Dowody ze współczesnych genomów niedźwiedzia i DNA ze starożytnego zęba
W badaniu przeanalizowano genomy 64 współczesnych niedźwiedzi polarnych i brunatnych, w tym kilka nowych genomów z Alaski, stanu, w którym występują oba gatunki.
Zespół wyprodukował również nowy, bardziej kompletny genom niedźwiedzia polarnego, który żył 115 000 do 130 000 lat temu na norweskim archipelagu Svalbard. DNA starożytnego niedźwiedzia polarnego zostało pobrane z zęba przyczepionego do subfosylnej kości szczęki, która obecnie znajduje się w Muzeum Historii Naturalnej na Uniwersytecie w Oslo.
Korzystając z tego zestawu danych, naukowcy szacują, że niedźwiedzie polarne i brunatne zaczęły stawać się odrębnymi gatunkami około 1,3 do 1,6 miliona lat temu, aktualizując wcześniejsze oceny dokonane przez niektórych z tych samych naukowców. Wiek rozłamu był i pozostaje tematem debaty naukowej, a przeszłe krzyżowanie się i ograniczone dowody kopalne na starożytne niedźwiedzie polarne są czynnikami, które utrudniają określenie czasu, mówi Lindqvist.
W każdym razie: po tym, jak stały się własnym gatunkiem, niedźwiedzie polarne przeżyły dramatyczny spadek populacji i przedłużone wąskie gardło genetyczne, pozostawiając te niedźwiedzie ze znacznie mniejszą różnorodnością genetyczną niż niedźwiedzie brunatne, podsumowuje nowe badanie. Odkrycia potwierdzają wcześniejsze badania wskazujące na te same trendy i dodają dowody na poparcie tej hipotezy.
Wraz z analizą przepływu genów odkrycia te dostarczają nowych informacji na temat nieuporządkowanej, splecionej historii ewolucyjnej niedźwiedzi polarnych i brunatnych.
W skład międzynarodowego zespołu badawczego weszli naukowcy z UB, LANGEBIO, Texas Tech, University of Oulu, Far Northwestern Institute of Art and Science, Alaska Department of Fish and Game, Natural History Museum na University of Oslo, Nanyang Technological University, Uniwersytet w Helsinkach i Uniwersytet w Aarhus.
Badania zostały sfinansowane przez National Fish and Wildlife Foundation, US National Science Foundation, Alaska Department of Fish and Game oraz US Geological Survey.