Kiedy Karol Darwin po raz pierwszy skodyfikował teorię ewolucji za pomocą doboru naturalnego, myślał o tym jako o procesie stopniowym. „Nie widzimy nic z tych powolnych zmian zachodzących, dopóki ręka czasu nie wyznaczy długiego upływu wieków” – napisał w swojej przełomowej pracy „O powstawaniu gatunków”.
Ale Darwin nie miał pełnego obrazu. „Ewolucja niekoniecznie wymaga tych wszystkich drobnych zmian, jakie zaproponował Darwin” – powiedział Scott Hodges, profesor na Wydziale Ekologii, Ewolucji i Biologii Morskiej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara.
Hodges, doktorant Zachary Cabin i ich koledzy właśnie zidentyfikowali przypadek nagłej zmiany ewolucyjnej. W czasopiśmie Current Biology naukowcy opisują populację orlików, które straciły płatki, w tym charakterystyczne ostrogi nektarowe. Drastyczna zmiana spowodowana mutacją w jednym genie. Odkrycie zwiększa wagę idei, że adaptacja może zachodzić w postaci dużych skoków, a nie tylko brnąć w dłuższych okresach czasu.
Odkąd wysunięto teorię ewolucji, biolodzy zastanawiali się, czy zawsze występuje ona małymi, stopniowymi krokami w długich okresach czasu, czy czasami jako równowaga przerywana nagłymi zmianami. Często duże zmiany morfologiczne pojawiają się w krótkich geologicznych skalach czasowych, w których formy pośrednie mogły nie ulec skamieniałości. Pozostaje zatem pytanie, czy w krótkim czasie zaszło wiele małych zmian, czy może za to odpowiedzialna może być pojedyncza mutacja na dużą skalę. Tak więc naukowcy naprawdę muszą uchwycić rozwój w akcji, jeśli mają nadzieję zbudować przypadek, w którym nagłe zmiany mogą napędzać ewolucję.
Wejdź do niebieskiego orlika Colorado. W jednej populacji mutacja spowodowała, że wiele roślin straciło płatki z charakterystycznymi ostrogami nektarowymi. Chociaż nie jest to rzadkie zjawisko u orlików, wydaje się, że bezostnica utknęła w tym obszarze: około jednej czwartej roślin nie ma charakterystycznej cechy.
Pojedynczy gen
Zespół zbadał genom rośliny, aby znaleźć źródło niezwykłej morfologii. Rozważyli gen APETALA3-3, o którym wiadomo, że wpływa na rozwój ostrogi. Odkryli, że ten pojedynczy gen kontrolował cały rozwój ostróg i nektarników kwiatowych.
„Gen jest włączony lub wyłączony, więc jest to tak prosta zmiana, jaką można uzyskać” – powiedział główny autor Zachary Cabin. „Ale ta prosta różnica powoduje radykalną zmianę w morfologii”.
Pojedynczy uszkodzony gen powoduje, że zmutowane rośliny rozwijają kwiaty bez płatków lub ostróg nektarowych.
Gdyby te kwiaty zachowały się w zapisie kopalnym, naukowcy mogliby je podzielić na dwa zupełnie różne rodzaje. Byłaby też zagadkowa luka: brak formy pośredniej dokumentującej przejście od jednej morfologii do drugiej.
„To odkrycie pokazuje, że ewolucja może nastąpić w dużym skoku, jeśli zaangażowany jest właściwy rodzaj genu” – powiedział Hodges. APETALA3-3 mówi rozwijającemu się organowi, aby stał się płatkiem. „Kiedy jest zepsuty, tych instrukcji już nie ma, a to powoduje, że rozwija się w zupełnie inny narząd, sepal” – wyjaśnił.
APETALA3-3 to rodzaj genu homeotycznego, który określa rozwój całego narządu. Mutacja w jednym z tych genów może mieć drastyczny wpływ na morfologię organizmu. Na przykład jedna mutacja homeotyczna powoduje, że mucha rozwija nogi tam, gdzie powinna mieć czułki. – Większość mutacji tego rodzaju będzie taka, po prostu okropna – kontynuował Hodges. „Zwierzę nie będzie miało żadnych szans na przeżycie. Biolog Richard Goldschmidt nazwał je „beznadziejnymi potworami”.
Ale raz na bardzo długi czas jedna z tych radykalnych zmian może zapewnić korzystną cechę w określonym środowisku, tworząc „pełen nadziei potwora”. Pełen nadziei potwór pokazałby, że ewolucja może przebiegać pojedynczymi, dużymi skokami, wspierając hipotezę przerywanej równowagi.
„Do tej pory nie mieliśmy dobrego przykładu budzącego nadzieję potwora z powodu pojedynczej zmiany genetycznej” – powiedział Hodges. Naukowcy muszą wyłapywać te nagłe zmiany na bieżąco, w przeciwnym razie znikają one w genomie organizmu. Na przykład inni krewni orlików stracili w przeszłości płatki i nektarniki, ale teraz nie można stwierdzić, czy wydarzenia te miały miejsce za jednym zamachem. Fakt, że dzieje się to aktywnie w błękitnym orlik w Kolorado, pozwolił zespołowi potwierdzić swój status potwora nadziei.
„Zdecydowanie jest trochę szczęścia w tym, że jesteśmy w pobliżu we właściwym czasie, aby to uchwycić” – powiedział Cabin.
Zaskakujący wybór
Uchwycenie zmiany w działaniu oferuje również inną korzyść: możliwość badania genetyki i presji selekcyjnej w pracy.
Zespół odkrył pięć wersji lub alleli APETALA3-3, z których tylko jedna koduje płatek z funkcjonalną ostrogą nektarową. Pozostałe cztery były zepsute, jak to ujął Hodges. Ustalili również, że brak ostróg jest cechą recesywną. Kwiat będzie rozwijał się normalnie, o ile roślina będzie miała jedną kopię allelu funkcjonalnego. Ale dowolne dwa zmutowane allele razem zapobiegną temu. „Możesz je mieszać i łączyć” – wyjaśnił Cabin.
Około jedna czwarta niebieskich orlików Colorado na tym obszarze wykazuje recesywną cechę spurlesness, więcej niż można przypisać zwykłemu przypadkowi.
We wszystkich gatunkach orlik można znaleźć rzadkie osobniki, które rozwijają kwiaty bez ostróg nektarowych. Ale ponieważ jedna czwarta populacji Kolorado nie ma tej funkcji, Cabin i Hodges wiedzieli, że to coś więcej niż przypadkowe zdarzenie. „Pozyskanie tak wielu z tych mutantów naprawdę sugeruje, że selekcja w jakiś sposób mu sprzyja” – powiedział Hodges, co uważa za dziwne, ponieważ ostroga wytwarza nektar, który przyciąga zapylaczy rośliny.
Hodges jest dobrze zaznajomiony z orlikami, a wszystkie jego wcześniejsze badania sugerują, że ostrogi nektarowe są ważne dla grupy. Nawet niewielkie zmiany w strukturze spowodowały specjację i dywersyfikację w rodzaju. „Więc, jak do cholery możesz stracić ostrogi i nadal być faworyzowanym?” on zapytał.
Przyciąganie zapylaczy to tylko jeden z czynników przyczyniających się do sukcesu reprodukcyjnego. Okazało się, że zmutowane rośliny faktycznie wyprodukowały więcej nasion niż ich odpowiedniki, ku zaskoczeniu zespołu. Zaczęli przeczesywać swoje obserwacje, szukając wyjaśnienia.
„Po raz pierwszy naprawdę zdaliśmy sobie sprawę, że wzór był na lotnisku w drodze do domu” – wspomina Cabin. Odczytywał dane, które Hodges wprowadzał do komputera. „Scott widział, jak rozwija się wzorzec, ponieważ miał przed sobą wszystkie dane i był coraz bardziej podekscytowany”.
Zespół zarejestrował roślinożerność gąsienic, mszyc i jeleni w różnych odmianach. Uszkodzenia spowodowane przez gąsienice i mszyce mogą utrudnić produkcję nasion, wyjaśnił Cabin, podczas gdy jelenie mogą zniszczyć całą roślinę. W miarę gromadzenia danych pojawił się wyraźny trend: jelenie i mszyce wolały kwiaty z ostrogami nektarowymi.
Zmiany w morfologii kwiatów są zwykle powodowane przez zapylacze, ale brak ostróg wydaje się być napędzany przez roślinożerność. „Dobór naturalny może pochodzić z bardzo zaskakujących źródeł” – powiedział Hodges. „Nie zawsze jest to, czego byś się spodziewał”.
Odpowiednie wyczucie czasu
Teraz, gdy zidentyfikowali swojego budzącego nadzieję potwora, Cabin i Hodges planują zbadać DNA wokół APETALA3-3, aby ustalić harmonogram, w którym mogły wystąpić mutacje. Kiedy gen zmutował po raz pierwszy, tylko jeden z chromosomów rośliny został dotknięty. To znaczy, że każdy potomek z tą mutacją miałby ten sam kod genetyczny wokół APETALA3-3 przez wiele pokoleń, wyjaśnił Hodges.
Jednak chromosomy czasami wymieniają allele w procesie zwanym rekombinacją. Śledząc ilość rekombinacji, która nagromadziła się wokół różnych wersji APETALA3-3, naukowcy mogą oszacować, jak dawno wystąpiła każda mutacja. Większa zmienność wymaga więcej czasu na akumulację. A im bliżej ta zmienność jest do samego APETALA3-3, tym więcej zdarzeń rekombinacyjnych nastąpiło od czasu pojawienia się mutacji.
Naukowcy chcą również śledzić, w jaki sposób brak ostróg rozprzestrzenia się w populacji. Różne odmiany krzyżują się ze sobą, ale dowody genetyczne sugerują, że między tymi dwiema grupami jest mniej kojarzeń. Orlik niebieski Colorado może rozdzielać się na osobne gatunki, zwłaszcza że oba typy wydają się polegać na różnych zapylaczach. „Ten proces podziału byłby powolny”, powiedział Cabin, „ale istnieją dowody na to, że może być w drodze”.