Page 1Rectangle 52 Przejdź do treści
Jordana Cepelewicz/ QuantaMagazine.org

Międzygatunkowe hybrydy odgrywają ważną rolę w ewolucji

Studium jaguara (1874-1910) John Macallan Swan/ zbiory Met Museum
Międzygatunkowe hybrydy odgrywają ważną rolę w ewolucji
Międzygatunkowe hybrydy odgrywają ważną rolę w ewolucji

Hybrydy, niegdyś uważane za dziwactwo, mogły po cichu przyczynić się do ocalenia wielu zagrożonych gatunków. Fakt ten trzeba teraz pogodzić z polityką ochrony zwierząt – co będzie nie lada wyzwaniem dla nauki.

W roku 2006 pewien myśliwy zastrzelił niedźwiedzia polarnego w Terytoriach Północno-Zachodnich w Kanadzie. Gdy jednak przyjrzał mu się uważniej, zobaczył kępki brązowego futra. Martwe zwierzę miało też nietypowo długie łapy i nieco wygięty grzbiet. Okazało się hybrydą, dzieckiem niedźwiedzicy polarnej i grizzly. Wiedziano, że tego rodzaju krzyżówki są możliwe, bo oba gatunki płodziły czasem potomstwo w niewoli, nigdy jednak nie spotkano podobnego przypadku w stanie naturalnym. To jednak prawdopodobnie wkrótce się zmieni. Zoolodzy i ekolodzy zapowiadają z niepokojem, że jeśli wskutek zmian klimatu grizzly będą się zapuszczały na tereny niedźwiedzi polarnych, liczba hybryd wzrośnie. Wywoła to fatalne skutki dla populacji białych niedźwiedzi. Niektórzy opowiadają się nawet za zabijaniem hybryd, by ową populację ocalić.

Okazuje się jednak, że grizzly i niedźwiedzie polarne krzyżowały się od setek tysięcy lat, a więc od czasu, gdy doszło do specjacji. Genomy niedźwiedzi polarnych zachowały mitochondrialne DNA dawnych grizzly, grizzly natomiast odziedziczyły pewne geny po hybrydach. „Ludzie twierdzą, że na skutek krzyżowania się niedźwiedzie polarne stracą swe piękne białe futro – mówi Michael Arnold, badacz ewolucji z University of Georgia. – W rzeczywistości jednak od bardzo dawna nie wyglądają one jak w podręcznikach”.

„Jeśli mieszanie się jest rzeczą naturalną, nie możemy ot tak postanowić, że w celu kontrolowania populacji będziemy zabijali hybrydy, by ich geny nie przedostawały się do »czystych« genomów” – ostrzega Arnold. Ba, może zróżnicowanie genetyczne będące skutkiem hybrydyzacji ocali niedźwiedzie polarne. Wszak w obliczu rosnących temperatur i zanikania lodu morskiego ich przetrwanie zależeć będzie od tego, czy przystosują się do życia na bardziej skalistych terenach. Przejęcie pewnych genów od grizzly może się tu okazać niezwykle pomocne, aczkolwiek w rezultacie powstaną zwierzęta „nieco różne od niedźwiedzi polarnych” – mówi Arnold.

Tego rodzaju kontrowersyjne przykłady świadczą, że marna reputacja hybryd występujących w naturze jest nie do końca zasłużona. Dawniej utożsamiano hybrydy z organizmami wybrakowanymi lub bezpłodnymi, jak choćby muł – potomek klaczy i osła. Według przyrodników hybrydyzacja w naturze stanowiła mało istotny, przypadkowy ślepy zaułek, na który natrafia się od czasu do czasu. Skoro hybrydy nie są opłacalne z ewolucyjnego punktu widzenia, skoro nie są płodne i występują nieczęsto, jak niby miałyby wpłynąć na ewolucję? Teraz jednak dzięki genomice wiemy coraz więcej na temat gatunków. Hybrydy zaskakująco często pomagają się im lepiej przystosować i przejąć użyteczne geny od bliskich kuzynów.

Mówiąc prosto, krzyżowanie międzygatunkowe nie sprowadza się do płodzenia nieprzystosowanego potomstwa. Przy okazji takich procesów zachodzi transfer genetyczny istotny z punktu wyłaniania się pewnych cech oraz powstawania zupełnie nowych gatunków. Arnold twierdzi, że u nowo powstałych gatunków ponowne pozyskiwanie niektórych genów dzięki hybrydom to nie tylko rzecz zwyczajna, ale wręcz „najpowszechniejszy mechanizm działania ewolucji wirusów, roślin, bakterii i zwierząt”.

Lwy i tygrysy, i jaguary, o rety!

Kwestia hybrydyzacji powróciła ostatnio w badaniach poświęconych ewolucji jaguarów. W lipcu 2017 r. na łamach „Science Advances” ukazał się artykuł napisany przez zespół naukowców z siedmiu różnych krajów. Zajmowali się oni genomami pięciu przedstawicieli rodzaju lamparta: lwa, tygrysa, irbisa, lamparta i jaguara. Zsekwencjonowano genomy dwóch ostatnich gatunków i porównano je ze znanymi już wcześniej sekwencjami DNA trzech pozostałych. Okazało się, że koty z rodzaju lamparta mają około 13 tys. wspólnych genów. Badacze stworzyli drzewo filogenetyczne (czyli zasadniczo drzewo rodowe) i opisali różnicowanie się gatunków zapoczątkowane około 4,6 mln lat temu.

Jeden z liderów konsorcjum Eduardo Eizirik, biolog i ekolog z Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul w Brazylii poświęcił jaguarom 15 lat. Wraz ze współpracownikami odtworzył ich genom i szukał genów, które mogły odpowiadać za takie cechy, jak potężna głowa i silna żuchwa. Obie służyły zapewne temu, by drapieżnik mógł żywić się gadami (jaguar potrafi przegryźć choćby twardą skórę krokodyla czy skorupę żółwia), gdy nastąpiła masowa zagłada wielkich ssaków.

Niektóre cechy nie pochodzą jednak od innych jaguarów. Okazało się, że różne gatunki należące do rodzaju lamparta krzyżują się ze sobą. Dwa geny znalezione u jaguara świadczą o hybrydyzacji z lwem, do której doszło już po rozejściu się ich filogenetycznych ścieżek. Geny te współuczestniczą w budowie nerwu wzrokowego. Eizirik stawia tezę, że odpowiadają za pewną właściwość wzroku, której jaguar potrzebował. Dobór naturalny z bliżej nieznanego powodu sprzyjał genom lwa, zastąpiły więc one pierwotne geny jaguara.

Widzimy tu, dlaczego dokonana przez konsorcjum Eizirika rekonstrukcja drzewa ewolucyjnego rodzaju lamparta jest tak istotna. „Wszystko okazało się bardziej skomplikowane, niż sądziliśmy – mówi Eizirik. – Specjacja nie dokonała się od razu. W zbadanych przez nas genomach widzimy najróżniejsze historie”.

Czym jest gatunek

Rzadko mamy do czynienia z danymi tak szczegółowymi i tak skrupulatnie przeanalizowanymi jak w przypadku badań Eizirika. Mimo to hipoteza, jakoby hybrydyzacja przyczyniała się do rozwoju gatunków, nie jest nowa. Od lat 30. XX w. biolodzy wiedzieli, że do hybrydyzacji często dochodzi w przypadku roślin (przykładowo szacuje się, że dotyczy ona 25% roślin okrytonasiennych w Wielkiej Brytanii) i że często odgrywa ona ważną rolę w ewolucji. To właśnie botanicy ukuli w roku 1938 termin „introgresja”. Wyobraźmy sobie osobniki dwóch gatunków, A i B, które krzyżują się i sprowadzają na świat hybrydowe potomstwo, dziedziczące po połowie genów od każdego z rodziców. Następnie owo potomstwo krzyżuje się z osobnikami gatunku A. Później to samo robi potomstwo tego potomstwa. Na przestrzeni pokoleń pojawią się osobniki gatunku A mające nieco genów gatunku B. Badania wykazały, że może to doprowadzić do powstania zupełnie nowego gatunku roślin.

Zdawało się jednak, że w przypadku zwierząt proces różnicowania się gatunków przebiega raczej w sposób gwałtowny. W zoologii przyjęto pogląd zaproponowany w 1942 r. przez legendarnego Ernsta Mayra, jednego z twórców „nowej syntezy” (teorii łączącej ewolucję z genetyką). Mayr zdefiniował gatunki, odwołując się do bariery rozrodczej. Gatunek to populacja, której przedstawiciele nie mogą rozmnażać się z przedstawicielami innych populacji. W latach 70. naukowcy odkryli co prawda wyjątki od reguły, lecz nadal uważali hybrydyzację wśród zwierząt za zjawisko rzadkie i mało istotne. „Mieliśmy klapki na oczach” – przyznaje James Mallet z Harvard University. Dziś – dodaje – stwierdzenie, że hybrydyzacja nie wpływa na historię ewolucyjną lub „że nie odgrywa żadnej roli w przystosowaniu, uchodzi za nietrafne”.

Rozmaitego rodzaju techniki obliczeniowe i genomiczne dowiodły, że introgresja jest zjawiskiem powszechnym, również w przypadku naszego gatunku. Z badań publikowanych od 2009 r. wynika, że mniej więcej 50–60 tys. lat temu ludzie, którzy wyszli z Afryki, krzyżowali się z neandertalczykami i denisowianami. Dzieci narodzone z takich związków płodziły później potomstwo z innymi ludźmi i przekazały im geny dziedziczone przez nas po dziś dzień. Szacuje się, że w niektórych współczesnych populacjach 1–2% DNA to geny neandertalczyków. W przypadku genów denisowian odpowiedni odsetek wynosi 6%. Przekłada się to na setki genów.

źródło: Quanta Magazine
źródło: Quanta Magazine

W 2012 r. Mallet i jego współpracownicy odkryli istotny przepływ genów między dwoma gatunkami motyli z rodzaju Heliconius. Okazało się, że około 40% genów jednego gatunku pochodziło od drugiego. Obecnie zespół Malleta pracuje nad inną parą gatunków, w wypadku których przepływ będzie jeszcze większy – może sięgnąć nawet 98%. Pozostałe 2% genomu zawiera informację pozwalającą oddzielić gatunki. Stanowi ona odzwierciedlenie ich „prawdziwej” trajektorii ewolucyjnej. Do zamazywania granic międzygatunkowych dochodzi także w przypadku roznoszących malarię komarów rodzaju Anopheles.

Introgresja dotyczy również innych zwierząt: ryb i ptaków, wilków i owiec. „Granice między gatunkami okazały się bardziej otwarte, niż dotąd sądzono – mówi Peter Grant, badacz ewolucji z Princeton University, który wraz ze swą żoną i współpracowniczką Rosemary Grant od dekad bada ewolucję łuszczaków z Galapagos. – Filogenetyczne rekonstrukcje prowadzą do tworzenia wykresów przybierających kształt drzewa. Jedna gałąź rozchodzi się z drugą i nigdy już się nie łączą. To raczej złudny obraz”.

Arnold przytakuje: „Powinniśmy mówić nie o drzewie życia, lecz o sieci życia”. Ponadto jeśli chcemy naprawdę zrozumieć ewolucyjne relacje między gatunkami, musimy skupić się na całych genomach, a nie na pojedynczych genach. Zresztą może nawet to nie wystarczy. „Niewykluczone, że pewne ścieżki ewolucyjne są już nie do odtworzenia” – stwierdza Mallet.

Uparte geny dają znać o sobie

Genomika nie zdoła przedstawić w całości introgresyjnego przepływu genów. Gdy jeden gatunek przejmuje geny od drugiego, skutek może być negatywny, neutralny lub pozytywny. W pierwszym przypadku zadziała dobór naturalny i osobniki wymrą (aczkolwiek pewne geny odziedziczone po neandertalczykach prawdopodobnie odgrywają rolę w rodzaju chorób, takich jak cukrzyca, otyłość lub depresja). W drugim przypadku geny będzie trudno obserwować „w działaniu”.

Badaczy najbardziej fascynują pozytywne skutki introgresji. Wróćmy do DNA neandertalczyków i denisowian. Ich geny pozwoliły ludziom przystosować się do trudnych warunków, choćby na Wyżynie Tybetańskiej. Chronią przed szkodliwym wpływem dużych wysokości i niewielkiej zawartości tlenu w powietrzu (oba te czynniki mogą stanowić zagrożenie dla przybyszów i prowadzić np. do udaru mózgu lub poronienia). Warianty powstałe na skutek krzyżowania z wymarłymi ludźmi są ponadto odporniejsze na niektóre zakażenia, a pigmentacja ich skóry i włosów pozwala na lepsze przystosowanie do życia w sferze eurazjatyckiej.

Motyle Malleta także skorzystały na hybrydyzacji. Dzięki niej potrafią lepiej wtopić się w otoczenie i unikać drapieżników. Badacze ustalili, że choć większość gatunków rodzaju Heliconius ma bardzo odmienne kolory i wzory skrzydeł, zdarzają się niezwykłe podobieństwa. Sądzono, że to kwestia przypadku. Ale nie do końca. Mallet wykazał, że przyczyniła się do tego również introgresja. Nie inaczej rzecz ma się w przypadku łuszczaków z Galapagos. Geny wpływające na rozmiar i kształt dziobów były przekazywane dzięki hybrydyzacji. Model ewolucji równoległej okazał się nieadekwatny.

Aby zaszły podobne sytuacje, nie trzeba wiele. Mallet mówi, że gdy chodzi o motyle „wystarczy jedno krzyżowanie się hybrydowe na tysiąc normalnych, byśmy mieli do czynienia z zupełną homogenizacją genów obu gatunków. To niezwykle podniecający wniosek”.

W miarę jak podobne prawidłowości introgresyjne zakorzeniają się w literaturze naukowej, badacze coraz częściej podejmują próby odkrycia ich ewolucyjnych konsekwencji. Wiemy obecnie, że specjacja to raczej stopniowy proces. „Różnicowanie, adaptacja i przystosowanie są nierzadko kwestią przekazywanych na różne sposoby genów” – mówi Arnold.

Badania Eizirika i jego zespołu stanowią znakomitą ilustrację. Szacuje się, że populacje wszystkich gatunków rodzaju lamparta zmniejszyły się (zapewne na skutek zmian klimatycznych) mniej więcej wówczas, gdy doszło do introgresji. Im mniejsza populacja, tym większe prawdopodobieństwo, że do genomu przedostanie się szkodliwa mutacja. Może zatem przepływ genów między różnymi gatunkami uratował je od wyginięcia, może stał się źródłem pożytecznych zmian i pozwolił „naprawić” te niewłaściwe. „Mówimy tu o ogromnej ilości mutacji powodujących znaczne przyspieszenie ewolucji” – podkreśla Arnold.

Nie dotyczy to wyłącznie jednego gatunku. Adaptacyjne introgresje przyczyniają się też do radiacji adaptacyjnej, a więc do wewnętrznego różnicowania się gatunku i powstania rozmaitych grup zdolnych niezależnie od siebie przystosowywać się do swych środowisk. Podręcznikowym przykładem są wielkie jeziora w Afryce Wschodniej. Żyją tam setki gatunków ryb z rodziny pielęgnicowatych, które choć pochodzą od wspólnego przodka, różnicowały się skokowo, głównie na skutek zmian klimatycznych i tektonicznych. Obecnie pielęgnicowate są bardzo odmienne pod względem fenotypów, zachowania i ekologii. W ogromnym stopniu odpowiada za to introgresja.

Biolodzy będą potrzebowali jeszcze wielu lat, by w pełni zrozumieć ewolucyjne znaczenie hybrydyzacji. Arnold liczy, że zostaną przeprowadzone kolejne badania na podobieństwo badań poświęconych łuszczakom z Galapagos lub wilkom z parku Yellowstone. Trzeba m.in. analiz behawioralnych i metabolicznych, które ujawnią, w jakim stopniu introgresja ma charakter adaptacyjny, w jakim zaś jest szkodliwa lub neutralna. Dowiemy się ponadto, czy introgresja adaptacyjna dotyczy tylko wybranych rodzajów genów, czy też nie.

Niestety, z punktu widzenia osób, które zajmują się ochroną zagrożonych gatunków, brak odpowiedzi na powyższe pytania stanowi poważny problem, często bowiem trzeba określić, czy ważniejsza jest ochrona dzikich populacji hybryd, czy też uznanych gatunków.

Ostrożna ochrona hybryd

Oto pewna anegdota dla ilustracji: w latach 50. dwóch sprzedawców przynęty wędkarskiej z doliny Salinas w Kalifornii udało się w podróż do Teksasu i Nowego Meksyku. Przywieźli stamtąd ambystomy tygrysie o czarniawych grzbietach, osiągające dwukrotnie większy rozmiar niż ambystomy miejscowe. Rybacy chętnie je kupowali, lecz konsekwencje dla ekosystemu były fatalne. Nowy gatunek krzyżował się ze starym, a narodzone w wyniku tego hybrydy okazały się lepiej przystosowane od rodziców. Wkrótce kalifornijskiej ambystomie tygrysiej groziło wyginięcie.

Nic dziwnego, że osoby zajmujące się ochroną przyrody z reguły nie uwzględniały hybryd. Uważano, że szkodzą one puli genowej i stwarzają niebezpieczeństwo dla bioróżnorodności. Dotyczy to zwłaszcza przypadków, w których krzyżowanie jest skutkiem działalności człowieka (inny oprócz ambystomy przykład to pterois, ryba siejąca spustoszenie na Karaibach). „Cel zawsze polegał na chronieniu istniejących gatunków i systemów, w których owe gatunki ewoluowały” – mówi Bradley Shaffer, biolog z University of California w Los Angeles. Wprowadzenie obcych gatunków z innych części świata prowadzi nierzadko do katastrofy.

Jednak jeśli uda się zapobiec hybrydyzacji i tak nie ma gwarancji szczęśliwego zakończenia. Badania Malleta, Arnolda, Eizirika, Grantów i innych wykazały, że krzyżowanie się gatunków z tego samego terytorium niesie ze sobą pewne korzyści adaptacyjne. „Hybrydyzacja bywa siłą twórczą. Gdy tak się dzieje, trzeba wielkiego namysłu jeśli chodzi o działania ochronne” – mówi Schaffer.

O ile nie wolno zatem próbować sztucznie wywoływać hybrydyzacji zagrożonych gatunków, o tyle nie zawsze powinno się jej zapobiegać, jeśli zachodzi spontanicznie. Hybryd nie należy a priori wyłączać spod ochrony. „Walka z hybrydyzacją może stanowić źródło problemów” – podkreśla Mallet.

Zdaniem wielu ekspertów pora zmienić przestarzałe przepisy dotyczące ochrony gatunków. „Chciałbym, aby dzięki mojej pracy dyskusja na ten temat weszła wreszcie w erę genomiki i aby uświadomiono sobie, że hybrydyzacja to zjawisko powszechne – mówi Bridgett vonHoldt, biolożka z Princeton. – Musimy działać w sposób bardziej elastyczny i otwarty”.

Znów przykład: wilki z Ameryki Północnej. Wilki szare, wilki meksykańskie, wilki wschodnie i wilki rude (wszystkie są zagrożone) uważano niegdyś za osobne gatunki. Nowe ustalenia genomików świadczą jednak, że wilk rudy i wschodni to prawdopodobnie hybrydy wilków szarych i kojotów. Co zatem z ich statusem zagrożenia?

Wybór optymalnej ścieżki działania w obliczu tylu niewiadomych nastręcza trudności. Eksperci mają przed sobą wiele pracy. Shaffer mówi, że niewielkie różnice środowiskowe i genomiczne danej populacji hybryd wymagają zniuansowanego podejścia, jeśli chodzi o ich ochronę.

Mallet dodaje zaś: „Trzeba się będzie nieźle nagimnastykować”.

Artykuł przedrukowano za zgodą QuantaMagazine.org, redakcyjnie niezależnej publikacji Simons Foundation, której misją jest popularyzowanie wiedzy na temat rozwoju badań w dziedzinie matematyki i fizyki oraz nauk przyrodniczych.

Data publikacji: