Naukowcy pokazują, że niezwykła różnorodność pielęgnic w afrykańskim Jeziorze Wiktorii była możliwa dzięki „recyklingowi genetycznemu” – powtarzającym się cyklom pojawiania się nowych gatunków i szybkiego dostosowywania się do różnych ról w ekosystemie. W ramach ewolucyjnego studium przypadku, które fascynuje badaczy od dziesięcioleci, rzuca ono światło na to, jak 500 gatunków ryb mogło wyłonić się i rozwijać w ciągu zaledwie 16 000 lat.
Porównując genomy setek współczesnych gatunków ryb pielęgnicowatych, naukowcy z międzynarodowego zespołu kierowanego przez Joanę Meier i Ole Seehausena ze szwajcarskiego instytutu badań wody Eawag, Uniwersytetu w Bernie, Uniwersytetu w Cambridge i Wellcome Sanger Institute wykazali, że ta hybrydyzacja, podczas której dwa różne gatunki spotykają się i łączą swoje geny, tworząc nowy gatunek z mieszanką cech obu typów rodzicielskich, umożliwiła pielęgnicom tak dobre wyniki. Zespół badawczy zidentyfikował także unikalne starożytne geny, które pobudziły ten proces.
Odkrycia, opublikowane dzisiaj (28 września) w czasopiśmie Science, ujawniają przyczyny wyjątkowej różnorodności ekologicznej pielęgnic. Dostarczają także ważnych informacji na temat genetycznych podstaw ewolucji adaptacyjnej i dywersyfikacji.
Pielęgnice żyjące w Jeziorze Wiktorii przystosowały się do pełnienia niemal każdej możliwej roli w ekosystemie. Występują w różnych rozmiarach, kształtach i kolorach, od największych drapieżników po malutki zooplankton. Pielęgnice te są uważane za klasyczny przykład „promieniowania adaptacyjnego”, w którym z jednej grupy powstaje wiele gatunków, każdy o unikalnych cechach i zachowaniach. Nie było jasne, czy to zróżnicowanie nastąpiło wyłącznie w obrębie Jeziora Wiktorii i było to zdumiewająco szybki proces trwający około 16 000 lat, po 4000-letnim okresie suchym. Tempo to znacznie przewyższa tempo zięb Darwina, którym wyewoluowanie 14 gatunków zajęło miliony lat.
W ramach nowego badania zespół badawczy postanowił sprawdzić, czy te pielęgnice rzeczywiście ewoluowały w jeziorze niezwykle szybko, a jeśli tak, to w jaki sposób były w stanie tego dokonać. W ramach tego sprawdzili, czy pielęgnice z Jeziora Wiktorii rzeczywiście są odrębnymi gatunkami1 oraz czynniki genetyczne, które leżą u podstaw tej bezprecedensowej skali ewolucji.
Zespół przeanalizował 464 całe genomy współczesnych pielęgnic z Jeziora Wiktorii i szerszego regionu Wielkich Jezior Afrykańskich. Odkrycia potwierdziły, że pielęgnice występujące w jeziorze są rzeczywiście odrębnymi gatunkami, które wyewoluowały z tej samej mieszanki genów i wyewoluowały w Jeziorze Wiktorii po okresie suchym w wyniku powszechnego zdarzenia hybrydyzacyjnego. Ich historia ewolucyjna naznaczona jest powtarzającym się „recyklingiem genetycznym” – okresami, w których różne grupy ryb łączyły się w pary i mieszały swoje geny, po czym ostatecznie rozdzieliły się na nowe gatunki.
Naukowcy ustalili, że około 16 000 lat temu, kiedy jezioro ponownie się napełniło, połączyły się trzy populacje pielęgnic zamieszkujących bagna, łącząc swoje geny, tworząc ryby hybrydowe. Początkowa różnorodność genetyczna w tych trzech populacjach pielęgnic2 odegrały kluczową rolę w ich potencjale do ewolucji grup ekologicznych. Każda populacja bagien wniosła różne warianty genów, takie jak geny umożliwiające polowanie lub skrobanie alg.
Mieszając swoje geny, wygenerowali dużą różnorodność genetyczną, co jest szybszym mechanizmem niż oczekiwanie na powolną akumulację nowych mutacji. Hybrydy wykształciły różne zachowania, a każda z nich pełniła odmienne role ekologiczne, takie jak polowanie, zbieranie glonów, odsiewanie zooplanktonu i zjadanie owadów, a rozmnażały się głównie w swoich grupach. Doprowadziło to do szybkiego powstawania różnych gatunków.
Pomimo tych różnic adaptacyjnych ich bliskie pokrewieństwo genetyczne umożliwiło epizody ciągłej hybrydyzacji, tworząc jeszcze więcej kombinacji genetycznych. Na przykład połączenie genów dużych drapieżników i małych zooplanktonożerców dało początek nowej ekologicznej grupie drapieżników karłowatych, łączących drapieżny tryb życia z niewielkimi rozmiarami ciała zooplanktonożerców.
Profesor Ole Seehausen, starszy autor badania, profesor Uniwersytetu w Bernie i szwajcarskiego Instytutu Badań nad Wodą EAWAG, powiedział: „Dzięki cyklom hybrydyzacji i dywersyfikacji zachowały się niezliczone różnice w odziedziczonych cechach, które akumulowały się w populacjach pielęgnic przez miliony lat. Dzisiejsze gatunki skrywają w swoich genomach potencjał do szybkiej „rekonstrukcji” niezwykle korzystnych specjalizacji. Nasze odkrycia podkreślają wagę, jaką w biologii konserwatorskiej ma rozpatrywanie powiązań między gatunkami, zarówno genetycznych, jak i ekologicznych, zamiast postrzegania ich w kategoriach izolacja. Chroniąc różnorodne gatunki, zachowujemy pulę zasobów, która może pomóc im przystosować się do zmian środowiskowych, np. radzić sobie z rosnącymi temperaturami poprzez okazjonalną hybrydyzację i dzielenie się adaptacjami”.
Doktor Joana Meier, pierwsza autorka badania i liderka grupy w Wellcome Sanger Institute, stwierdziła: „Hybrydyzacja może być bardziej powszechna – i ważniejsza – w przyrodzie, niż wcześniej sądzono. Genomika może ujawnić te sekrety. Gdy badamy przyczyny tego zjawiska, niezwykły sukces tych ryb, a podczas moich nieustannych prac nad drzewem życia dostrzegamy same tryby i koła ewolucji – spostrzeżenia, które mogą pomóc naukowcom w rozszyfrowaniu pochodzenia wszelkiego rodzaju gatunków”.