Zwierzęta rozmnażają się na jeden z dwóch różnych sposobów: składanie jaj lub urodzenie żywe. Badając ewolucyjnie niedawne przejście ślimaka morskiego od składania jaj do żywota, wspólne badania Instytutu Nauki i Technologii Austrii (ISTA), Uniwersytetu w Sheffield i Uniwersytetu w Göteborgu rzuciły nowe światło na genetykę zmiany, które umożliwiają organizmom dokonanie zmiany. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science.
Na początek pojawiło się jajko. Składanie jaj pojawiło się głęboko w epoce ewolucyjnej, na długo zanim zwierzęta w ogóle przedostały się na ląd. W trakcie ewolucji w królestwie zwierząt, w tym u owadów, ryb, gadów i ssaków, miało miejsce wiele niezależnych przejść do żywotnych form życia. Jednak te przykłady nauczyły nas niewiele na temat liczby zmian genetycznych niezbędnych do przejścia od jaja do życia potomstwa.
Teraz międzynarodowy zespół badaczy pod kierownictwem doktora habilitowanego ISTA Seana Stankowskiego wykorzystał skromnego ślimaka morskiego do ujawnienia zmian genetycznych leżących u podstaw przejścia na żywość. Główna zaleta badania tego zjawiska u ślimaków morskich: żywe organizmy wyewoluowały w ciągu ostatnich 100 000 lat – w ujęciu ewolucyjnym jest to mgnienie oka. Zatem te ślimaki morskie mogą zapewnić wyjątkową szansę na odkrycie genetycznych podstaw żywotnego życia. „Prawie wszystkie ssaki rodzą żywe organizmy i funkcja ta towarzyszy ich ewolucji od około 140 milionów lat. Jednak w tym badaniu możemy zbadać, w jaki sposób zdolność do żywotnego życia wyewoluowała całkowicie niezależnie i znacznie później, u ślimaków morskich” – mówi Stankowski . Główne odkrycie zespołu: przejście na tryb życia jest spowodowane około 50 zmianami genetycznymi rozproszonymi po całym genomie ślimaka.
Jeden gatunek, ponad sto nazw
W 2015 r. dziennik „The Guardian” podał, że nadmorski ślimak morski Littorina saxatilis to najczęściej błędnie identyfikowane stworzenie na świecie. Na przestrzeni wieków naukowcy opisywali go jako nowy gatunek lub podgatunek ponad sto razy, mimo że powszechnie występuje na wybrzeżach północnego Atlantyku . Całe to zamieszanie musiało wynikać z wielu odmian muszli i siedlisk tego gatunku. Co więcej, L. saxatilis posiada unikalny tryb reprodukcji: wyewoluował w sposób żywy, podczas gdy spokrewnione ślimaki morskie, które dzielą jego siedlisko, składają jaja. „Naukowcy badali głównie zróżnicowanie muszli L. saxatilis, a nie to, co odróżnia ten gatunek od jego krewnych składających jaja. Rzeczywistość jest taka, że ten gatunek ślimaka jest nietypowy, jeśli chodzi o strategię hodowlaną” – mówi Stankowski.
Gubiąc jajko, krok po kroku
Momentem otwierającym oczy było wywnioskowanie przez Stankowskiego drzewa filogenetycznego, czyli ewolucyjnego „drzewa genealogicznego” L. saxatilis i innych pokrewnych gatunków Littorina składających jaja, na podstawie sekwencji całego genomu. Pokazał, że chociaż zdolność do rodzenia jest jedyną cechą odróżniającą L. saxatilis od jego krewnych składających jaja, L. saxatilis nie wydaje się tworzyć jednej grupy ewolucyjnej. To właśnie to niedopasowanie między strategią reprodukcyjną a pochodzeniem ostatecznie pozwoliło Stankowskiemu i jego współpracownikom na oddzielenie genetycznych podstaw rodzenia żywych osobników od innych zmian genetycznych zachodzących w genomie ślimaka. „Udało nam się zidentyfikować 50 regionów genomu, które łącznie wydają się decydować o tym, czy dany osobnik składa jaja, czy rodzi młode” – mówi Stankowski. „Nie wiemy dokładnie, co robi każdy region, ale udało nam się powiązać wiele z nich z różnicami w zakresie reprodukcji, porównując wzorce ekspresji genów u ślimaków składających jaja i ślimaków żyworodnych”. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki sugerują, że żywość ewoluowała stopniowo w wyniku kumulacji wielu mutacji, które pojawiły się w ciągu ostatnich 100 000 lat.
Koszty i korzyści związane z łożyskiem żywym
Badania pokazują, że przejście na żyworodne umożliwiło ślimakom rozprzestrzenienie się na nowe obszary i siedliska, w których osoby składające jaja nie mogą przetrwać i rozmnażać się. Jednak dokładne korzyści z rodzenia tych ślimaków pozostają tajemnicą. „Nie wiemy tego na pewno, ale przejście od składania jaj do żywotnego życia mogło nastąpić w wyniku doboru naturalnego faworyzującego dłuższy czas przechowywania jaj, w wyniku czego z jaj ostatecznie wykluwają się wewnątrz matki. Spekulujemy, że jaja mogły być bardziej podatne na wysychanie, uszkodzenia fizyczne i drapieżniki” – mówi Stankowski. Dodaje, że w przypadku żyworodnych potomstwo jest chronione przed żywiołami, dopóki nie będzie w stanie samodzielnie sobie poradzić. Ale rozwiązując jeden problem, hodowla z pewnością stworzyłaby inne. „Dodatkowa inwestycja w potomstwo prawie na pewno postawiłaby nowe wymagania w stosunku do anatomii, fizjologii i układu odpornościowego ślimaków. Jest prawdopodobne, że wiele zidentyfikowanych przez nas regionów genomu jest zaangażowanych w reagowanie na tego typu wyzwania”.
Mapowanie funkcji każdego genu
Chociaż praca rzuca nowe światło na przejście od jaj do żywego potomstwa, wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. „Większość innowacji genetycznych jest tak naprawdę stara i zawikłana na skalę ewolucyjną, co utrudnia badanie ich pochodzenia” – mówi Stankowski. „Te ślimaki pozwoliły nam dokładnie to zrobić, ale dopiero zaczęliśmy drapać powierzchnię tego, czego mogą nas nauczyć o pochodzeniu nowości”. Następnym krokiem badaczy będzie mapowanie funkcji każdej mutacji. „Chcemy zrozumieć, jak każda zmiana genetyczna kształtowała, krok po kroku, formę i funkcjonowanie ślimaków na drodze do żywota” – podsumowuje Stankowski.