Proces specjacji jest zjawiskiem długotrwałym, a przez to w pewnym stopniu trudnym do badania. Dlatego najczęściej obiektem badawczym naukowców zostają organizmy, u których następuje szybka zmiana pokoleń np. jak u muszki owocowej (Drosophila melanogaster), czy drożdży. Badacze próbują rozwiązać tą biologiczną zagadkę, jaką jest mechanizm specjacji. Doszukują się pewnych genów, które mogą być przyczyną lub jednym ze składników potrzebnych do tego procesu. Istnieje szereg hipotez dotyczących działania takich genów. W niniejszej pracy przedstawiam również kilka przykładów badań, które przeprowadzono, aby lepiej zrozumieć specjację, a co za tym idzie i ewolucję.
Specjacja to proces tworzenia się nowego gatunku, lub kilku, z pojedynczego gatunku macierzystego. Proces ten ma bardzo duże znaczenie w ewolucji.
Kształtowanie się nowych gatunków może być spowodowane np. ograniczonym przepływem genów. Dzieje się tak wówczas, gdy poszczególne populacje jednego gatunku nie mogą się ze sobą kojarzyć ze względu na ich rozdzielenie, tzw. mechanizm izolacji kojarzenia. Do takiego rozłączenia mogą doprowadzić zmiany w środowisku, w pewien sposób więżąc dany gatunek na szczytach gór czy w odosobnionych jeziorach. Innym sposobem rozdzielenia jest kolonizacja miejsca dotąd niezamieszkanego przez ten gatunek.
Gdy przedstawiciele jednego gatunku przemieszczają się w różne, oddalone od siebie miejsca, może dojść do specjacji allopatrycznej. Możliwa jest również specjacja sympatryczna, czyli wyodrębnienie się nowego gatunku na tym terenie zamieszkanym przez populację macierzystą. Przykładem na to są pielęgnice strzeliste (Cichlasoma zaliosum) i pielęgnice cytrynowe (Cichlasoma citrinellum) żyjące w wulkanicznym jeziorze w Nikaragui. Na podstawie porównania DNA mitochondrialnego, ora innych genów stwierdzono, że jeden z tych gatunków wyewoluował z drugiego. Różnił się on w takim stopniu, że umocnił się jako inny gatunek. Doprowadziło to do tego, że jeden z nich odżywia się przy samym dnie, drugi natomiast blisko powierzchni, a poza tym nie mogą się już ze sobą krzyżować.
Innym sposobem powstania nowego gatunku jest dobór rozrywający. Pewne skrajne fenotypy są bardziej faworyzowane w populacjach np. gdy dzięki nim organizmy mogą się lepiej przystosować do środowiska. Kiedy dwie populacje zaadoptują się do odmiennych obszarów, to po skrzyżowaniu ich ze sobą mogą powstać słabe mieszańce, które dobór naturalny będzie eliminował, na skutek tego będą się tworzyły mechanizmy zapobiegające parowaniu się pomiędzy tymi populacjami, co w rezultacie doprowadzi do powstania dwóch zupełnie różnych gatunków.
Ciekawym przykładem specjacji są badania przeprowadzone na kukurydzy. Według naukowców kukurydza, jaką znamy dzisiaj, wywodzi się od trawy Euchlaena luxurians popularnie występującej w Ameryce centralnej, o małych owocach. Po skrzyżowaniu jej z dzisiejszą kukurydzą okazało się, że wystarczy tylko kilka zmian w genach, żeby z gatunku wyjściowego otrzymać coś bardzo podobnego do dzisiejszej kukurydzy np. gen tb1 drastycznie zmienia rozgałęzianie się kłosów. Pokazuje to, iż niewiele zmian w genach może powodować znaczne zmiany morfologiczne.
Inne badania dotyczące specjacji u drożdży wykazały, że nowe gatunki u tych organizmów powstają poprzez homoplodialną hybrydyzację. Proces ten oznacza, że reprodukcyjnie izolowana hybryda ma podwojony materiał genetyczny rodzicielskiego gatunku. W skład tego procesu wchodzi podwajanie chromosomów, co może tłumaczyć, dlaczego genomy roślin są zazwyczaj znacznie większe niż zwierząt.
Kilka lat temu prowadzono badania nad izolacją rozrodczą dwóch gatunków bylin Mimulus lewisii i Mimulus cardinalis. Na podstawie analiz DNA stwierdzono, że grupy sprzężonych genów o znacznym efekcie kumulatywnym mogą odgrywać główną rolę w powstawaniu izolacji rozrodczej i specjacji. Dowody na wpływ takich genów uzyskano z analiz genów cech ilościowych (QTL) dotyczących preferencji zapylaczy. Ponadto porównanie genetycznej architektury kontrolującej rozbieżność roślinnych cech wskazuje, że dla badanych gatunków możliwa jest wspólna zależność tych cech. Izolacja rozrodcza pomiędzy tymi bylinami była również rezultatem barier postzygotycznych, prowadzących do izolacji na większą skalę. Co więcej, wykazano także, że adaptacja do środowiska może być przyczyną specjacji.
Podobne prace prowadzono na rybach z rodziny łososiowatych (Coregonus sp.). Badano normalne i karłowate osobniki. Postawiono hipotezę, że podstawy radiacji adaptacyjnej i izolacji rozrodczej mogą być rozumiane jako genetyczna architektura zachowania, psychologii, morfologii, które różnią ryby normalne od karłowatych. Naukowcom udało się znaleźć przynajmniej po jednym QTL dla każdej takiej cechy. Następnie sprawdzono czy któreś z nich odpowiadały na selekcję pośród naturalnie występujących gatunków. Okazało się, że kilka z nich równocześnie podlegało selekcji u różniących się gatunków dając dowód, że dywergencja naturalnej selekcji wpływa na genetyczną architekturę radiacji adaptacyjnej i ostatecznie propaguje ekologiczną specjację.
Samo pojęcie gatunku jest najczęściej definiowane jako możliwość do wzajemnego krzyżowania się podobnych gatunków dając płodne potomstwo. Kilka lat temu czescy uczeni odkryli gen, który jest odpowiedzialny za bezpłodność mieszańców. Koduje on białko, który powoduje zmniejszanie ekspresji genów, „wycisza” je. Bardzo trudno jest zajmować się genetyką specjacji ponieważ, ciężko jest krzyżować ze sobą różne gatunki, a następnie próbować ustalić geny odpowiedzialne za specjację na podstawie otrzymanych wyników. Amerykańscy uczeni natomiast, poszukiwali genów odpowiedzialnych za powstawanie pewnych hybryd po skrzyżowaniu dwóch podgatunków muszki owocowej. Samce powstałe w taki sposób były bezpłodne przez większość ich życia, lecz gdy były starsze zaczynały kopulować. Ich potomstwem jednak były wyłącznie samice. Na podstawie tego stwierdzono, że specjacja może być związana z genami zaburzającymi segregację. Wpływają one na zwiększenie częstości przekazywania potomstwu chromosomów, na których się one znajdują. W tym przypadku dotyczy to płci. Na podstawie tego powstała hipoteza mówiąca, że takie geny razem z innymi niwelującymi ich efekt borą udział w swego rodzaju wyścigu. Pierwsze z nich mogą szybko się zmieniać. Ich wzajemna walka doprowadza do dużych zmian pomiędzy populacjami, co może mieć swoje odbicie w specjacji. Niestety jednak, jak dotąd nie ma zbyt wielu dowodów potwierdzających tę hipotezę.
Z drugiej strony, w wielu artykułach pojawiają się tak zwane geny specjacji. Są to loci, w których alleliczna forma jednej populacji nie może być zintegrowana z genomem innej populacji, ze względu na obniżenie żywotności. Czyli inaczej mówiąc takie geny są różnie dostosowywane. Według niektórych, jest to błędne stwierdzenie ponieważ mimo, że różnica genetyczna jest przyczyną specjacji, nie ma genów bezpośrednio odpowiedzialnych za specjację. Zmiana genetyczna może doprowadzić do izolacji rozrodczej lub nie. Można jedynie stwierdzić, że taki proces miał miejsce dopiero, gdy już on nastąpi. Prowadzi to do założenia, że nie ma żadnych szczególnych genów, które powodowałyby specjację na dużą skalę. Odkryto jednakże pewien kompleks genów u muszki owocowej, który prowadzi do izolacji rozrodczej po jego uprzedniej modyfikacji. Nie można jednak doszukiwać się takiego samego działania podobnych kompleksów u innych muszek, owadów, czy innych zwierząt. Poza tym, nie można twierdzić, że jest on związany ze wszystkimi specjacjami muszki owocowej.
Specjacja jest bardzo skomplikowanym zagadnieniem, trudnym do badania. Bardzo często generalizuję się wyniki otrzymane z pracy badawczej. Problem polega na tym, że nie wiadomo na ile można uogólniać otrzymane wnioski. Natura nie pomaga stwierdzić, czy przypadkiem nie posunęliśmy się już za daleko w dedukcji. Dlatego też, pomysł genów powodujących specjację wydaje się nietrafiony, gdyż w proces specjacji zaangażowany jest cały genom, sposób jego ekspresji oraz wpływ środowiska.
Już od jakiegoś czasu człowiek próbuje poznać sposób, w jaki powstają nowe gatunki. Co roku dowiadujemy się o nowych odkryciach i hipotezach, jednak do całkowitego poznania mechanizmu tego procesu jest jeszcze bardzo daleko.
Bibliografia:
1. www.racjonalista.pl/index.php/s,38/t,6,380
2. www.biolog.pl/content-67.html
3. www.nature.com/scitable/topicpage/Hybrid-Incompatibility-and-Speciation-820?auTags=
4. www.biology-online.org/2/14_gene_pool.htm
5. www.digitaljournal.com/article/263378
6. www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2607315/?tool=pubmed
7. www.mnscience.org/index.php?id=127
8. findarticles.com/p/articles/mi_m0DED/is_2_22/ai_79023130/
9. evolvethought.blogspot.com/2005/12/speciation-genes.html
10. Genes and speciation, Chung-I Wu, J . EVOL. B IOL. 14 (2001 ) 889-891
11. The Genetic Architecture of Ecological Speciation and the Association with Signatures of Selection in Natural Lake Whitefish (Coregonus sp. Salmonidae) Species Pairs, S. M. Rogers and L. Bernatchez, Oxford University Press 2007
12. The genic view of plant speciation: recent progress and emerging questions, Christian Lexer, Alex Widmer, The Royal Society 2008
Najnowsze komentarze