Ewolucja w czasie rzeczywistym. Rezultaty 30‑letniego eksperymentu ze ślimakami

W 1988 roku archipelag wysp Koster u zachodniego wybrzeża Szwecji, w pobliżu granicy z Norwegią, został dotknięty szczególnie intensywnym zakwitem toksycznych glonów. W wyniku tego zdarzenia populacja żyjących tam ślimaków morskich z gatunku Littorina saxatilis została wybita niemal w całości.

Na większych wyspach archipelagu populacje ślimaków zostały zredukowane do mniej niż jednego procenta poprzedniej wielkości. Jednak zdołały się odrodzić w ciągu 2-4 lat. Ale mniejsze wyspy i szkiery, czyli małe wysepki utworzone w wyniku działań lodowców, nie zdołały zregenerować populacji ślimaków.

Naukowcy z Uniwersytetu w Göteborgu dostrzegli wyjątkową okazję w zagładzie ślimaków. W 1992 roku podjęli starania, by ponownie wprowadzić na małe wysepki ślimaki z gatunku Littorina saxatilis. Nie sądzili, że ich eksperyment będzie miał tak daleko idące implikacje ponad 30 lat później.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Littorina saxatilis to powszechny gatunek ślimaka morskiego występujący na wybrzeżach północnego Atlantyku. Populacje żyjące w różnych miejscach wykształciły cechy dostosowane do swojego środowiska. Obejmują one rozmiar, kształt muszli, kolor muszli i zachowanie.

Cechy te są szczególnie widoczne między ekotypami ślimaka. Ślimaki te ewoluowały wielokrotnie w różnych miejscach i środowiskach, które były narażone na różne zagrożenia. Z tego powodu archipelag Koster jest domem dla dwóch głównych ekotypów tych ślimaków. Niektóre populacje ślimaków wyewoluowały grube muszle, aby poradzić sobie z zagrożeniem ze strony wygłodniałych krabów – to tzw. ekotyp kraba. Inne rozwinęły mniejsze i lżejsze muszle, które pomagają im przetrwać uderzenia fal, gdy są przyklejone do skał – to tzw. ekotyp fali.

Ekotyp fali charakteryzuje się zazwyczaj mniejszymi i cieńszymi muszlami o określonych wzorach i kolorach, z dużym zaokrąglonym otworem. Ślimaki te wyróżniają się też tym, że nie są tak płochliwe. Z kolei ekotyp kraba ma znacznie większe muszle. Do tego są one grubsze, nie posiadają wzorów i mają mniejszy i bardziej wydłużony otwór. Ten ekotyp zachowuje się niezwykle ostrożnie. W końcu wyewoluował w środowisku zdominowanym przez drapieżniki.

Na archipelagu te ekotypy mogą sąsiadować ze sobą. Przed zakwitem glonów w 1988 roku ekotyp fali zamieszkiwał głównie szkiery, a brzegi większych wysp były domem dla obu ekotypów. Glony zabiły wszystkie populacje ekotypu fali żyjące na szkierach. W 1992 roku naukowcy na te malutkie, skalne wysepki, wprowadzili zamiast żyjącego tam wcześniej ekotypu fali, ekotyp kraba. Naukowcy założyli, że ekotyp kraba dostosuje się do nowego środowiska na oczach naukowców. I słusznie.

Z czasem do eksperymentu dołączali naukowcu z innych instytucji, w tym z Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Nord University z Norwegii oraz University of Sheffield w Wielkiej Brytanii, aby spróbować przewidzieć i obserwować ewolucję w czasie rzeczywistym. – Nasi koledzy dostrzegli dowody adaptacji ślimaków już w ciągu pierwszej dekady eksperymentu – mówi Diego Garcia Castillo z ISTA, jeden z autorów publikacji, która ukazała się na łamach "Science Advances". – Przez 30 lat eksperymentu byliśmy w stanie dokładnie przewidzieć, jak będą wyglądać ślimaki i które regiony genetyczne będą w to zaangażowane. Transformacja była szybka — dodaje.

Jednak ślimaki nie rozwinęły tych cech całkowicie od podstaw. – Część różnorodności genetycznej była już dostępna w początkowej populacji ślimaków z ekotypu krabów, ale o niskiej częstości występowania. Wynika to z faktu, że gatunek ten doświadczył podobnych warunków w niedawnej przeszłości. Dostęp ślimaków do dużej puli genów spowodował tę szybką ewolucję – wyjaśnia Anja Marie Westram z Nord University, współautorka badań.

W trakcie ponad trzech dekad trwania eksperymentu naukowcy badali głównie trzy aspekty: fenotyp ślimaków, zmienność poszczególnych genów i większe zmiany genetyczne wpływające na całe regiony chromosomów zwane inwersjami chromosomowymi. W ciągu pierwszych kilku pokoleń badacze byli świadkami interesującego zjawiska zwanego plastycznością fenotypową. Wkrótce po wprowadzeniu ślimaków na szkiery te zmodyfikowały swój kształt, aby dostosować się do nowego środowiska. Ale populacja również szybko zaczęła zmieniać się genetycznie. Naukowcy byli w stanie przewidzieć zakres i kierunek tych zmian, szczególnie w przypadku inwersji chromosomów.

Wykazali, że szybka transformacja ślimaków była prawdopodobnie spowodowana dwoma uzupełniającymi się procesami – błyskawiczną selekcją cech już obecnych, ale o niskiej częstości występowania i przepływ genów do ślimaków z ekotypu fali, które mogły po prostu przepłynąć te kilkaset metrów, aby dotrzeć do szkieru, gdzie trwał eksperyment.

Gatunek o wystarczająco dużej zmienności genetycznej może szybciej przystosować się do zmian. Jednak w niewielu badaniach eksperymentowano z ewolucją w czasie w środowisku naturalnym. – Ta praca pozwala nam przyjrzeć się bliżej powtarzającej się ewolucji i przewidzieć, w jaki sposób populacja mogłaby rozwinąć cechy, które ewoluowały oddzielnie w przeszłości w podobnych warunkach – mówi Garcia Castillo.

Zespół chce teraz dowiedzieć się, w jaki sposób gatunki mogą przystosować się do współczesnych wyzwań środowiskowych, takich jak zanieczyszczenie i zmiany klimatyczne. – Nie wszystkie gatunki mają dostęp do dużych puli genów, a ewolucja nowych cech od podstaw jest żmudna i powolna. Adaptacja jest bardzo złożona, a nasza planeta również mierzy się ze złożonymi zmianami z epizodami ekstremalnych warunków pogodowych, szybko postępującą zmianą klimatu, zanieczyszczeniem i nowymi pasożytami — mówi Westram. – Być może te badania pomogą przekonać ludzi do ochrony szeregu naturalnych siedlisk, aby gatunki nie utraciły swojej zmienności genetycznej — podsumowuje.

Źródło: Institute of Science and Technology Austria, IFLScience