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

W 1988 roku zakwit toksycznych glonów niemal całkowicie wyeliminował populację ślimaków morskich na szwedzkim archipelagu Koster. Kiedy naukowcy podjęli próbę jej odtworzenia, dostrzegli w tym okazję do przeprowadzenia ciekawego eksperymentu. Wprowadzili ślimaki tego samego gatunku, lecz o innym ekotypie. Te przystosowały się w taki sposób, że dziś uderzająco przypominają wymarłą populację sprzed ponad 30 lat.

W 1988 roku archipelag Koster, położony przy zachodnim wybrzeżu Szwecji, blisko granicy z Norwegią, doświadczył wyjątkowo intensywnego zakwitu toksycznych glonów, który niemal całkowicie wyniszczył populację ślimaków morskich Littorina saxatilis zamieszkujących ten obszar.

Ślimaki z archipelagu Koster

Na większych wyspach archipelagu liczebność ślimaków spadła do mniej niż jednego procenta dawnej populacji, lecz odnowiła się w ciągu 2–4 lat. Jednak mniejsze wysepki i szkiery, małe wyspy uformowane przez lodowce, nie zdołały odzyskać swoich ślimaków.

Naukowcy z Uniwersytetu w Göteborgu dostrzegli wyjątkową okazję w zagładzie ślimaków. W 1992 roku postanowili ponownie wprowadzić Littorina saxatilis na mniejsze wysepki. Nie spodziewali się, że eksperyment przyniesie tak dalekosiężne wyniki po ponad 30 latach.

Littorina saxatilis to popularny gatunek ślimaka morskiego, występujący na wybrzeżach północnego Atlantyku. Populacje żyjące w różnych miejscach rozwinęły cechy specyficzne dla swoich środowisk, w tym rozmiar, kształt muszli, jej kolor i zachowanie.

Ekotypy ślimaków

Te cechy są szczególnie widoczne w odmiennych ekotypach ślimaków, które ewoluowały w różnych miejscach i środowiskach, dostosowując się do różnych zagrożeń. Dlatego archipelag Koster jest domem dla dwóch głównych ekotypów tych ślimaków. Niektóre populacje rozwinęły grube muszle chroniące przed głodnymi krabami – to tzw. ekotyp kraba. Inne mają mniejsze i lżejsze muszle, które pomagają przetrwać uderzenia fal, gdy są przyczepione do skał – to ekotyp fali.

Ekotyp fali charakteryzuje się mniejszymi, cieńszymi muszlami o określonych wzorach i kolorach, z dużym, zaokrąglonym otworem. Ślimaki te są również mniej płochliwe. Ekotyp kraba wyróżnia się dużymi, grubymi muszlami bez wzorów, z mniejszym, wydłużonym otworem i ostrożnym zachowaniem – przystosował się do życia w środowisku pełnym drapieżników.

Na archipelagu oba ekotypy mogą współistnieć obok siebie. Przed zakwitem glonów w 1988 roku ekotyp fali zamieszkiwał głównie szkiery, podczas gdy brzegi większych wysp były domem dla obu ekotypów. Glony zabiły wszystkie ślimaki ekotypu fali żyjące na szkierach. W 1992 roku naukowcy zdecydowali się wprowadzić tam ekotyp kraba, aby zobaczyć, czy dostosuje się on do nowego środowiska. I mieli rację.

Ewolucja w czasie rzeczywistym

Z czasem do eksperymentu dołączali naukowcy z innych instytucji, w tym z Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Nord University w Norwegii i University of Sheffield w Wielkiej Brytanii, aby przewidzieć i obserwować ewolucję w czasie rzeczywistym. – Nasi koledzy dostrzegli dowody adaptacji ślimaków już w pierwszej dekadzie eksperymentu – mówi Diego Garcia Castillo z ISTA, jeden z autorów publikacji w „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.adp2102). – 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 rozwijały tych cech od zera. – Część różnorodności genetycznej była już obecna w początkowej populacji ekotypu kraba, choć w niskiej częstotliwości. Wynika to z faktu, że gatunek ten doświadczył podobnych warunków w przeszłości. Dostęp do dużej puli genów przyczynił się do szybkiej ewolucji – wyjaśnia Anja Marie Westram z Nord University, współautorka badań.

Podczas ponad trzech dekad trwania eksperymentu naukowcy badali trzy główne aspekty: fenotyp ślimaków, zmienność poszczególnych genów oraz zmiany genetyczne na większą skalę, wpływające na całe regiony chromosomów, zwane inwersjami chromosomowymi. W pierwszych pokoleniach zaobserwowali interesujące zjawisko plastyczności fenotypowej – tuż po wprowadzeniu na szkiery ślimaki dostosowały kształt swoich muszli do nowego środowiska. Populacja zaczęła się też szybko zmieniać genetycznie. Naukowcy byli w stanie przewidzieć zakres i kierunek tych zmian, zwłaszcza w inwersjach chromosomowych.

Badacze wykazali, że szybka transformacja ślimaków wynikała z dwóch procesów – błyskawicznej selekcji cech już obecnych w populacji oraz przepływu genów do ślimaków z ekotypu fali, które mogły łatwo przepłynąć kilka metrów do szkieru, gdzie trwał eksperyment.

Powtarzalność ewolucji

Gatunek o wystarczająco dużej zmienności genetycznej może szybciej przystosować się do zmieniających się warunków. Jednak tylko nieliczne badania zajmują się ewolucją w czasie w naturalnym środowisku. – Ta praca pozwala lepiej zrozumieć powtarzalność ewolucji i przewidzieć, jak populacja mogłaby wykształcić cechy, które wcześniej ewoluowały w podobnych warunkach – mówi Garcia Castillo.

Zespół zamierza teraz badać, jak gatunki mogą przystosować się do współczesnych wyzwań środowiskowych, takich jak zanieczyszczenie i zmiany klimatu. – Nie wszystkie gatunki mają dostęp do dużej puli genów, a rozwój nowych cech od podstaw jest powolny. Adaptacja jest bardzo złożonym procesem, a nasza planeta zmaga się ze skomplikowanymi zmianami klimatycznymi, ekstremalnymi warunkami pogodowymi, zanieczyszczeniem i nowymi pasożytami – mówi Westram. – Mamy nadzieję, że badania te pomogą przekonać ludzi do ochrony różnorodnych siedlisk, aby gatunki mogły zachować swoją zmienność genetyczną – podsumowuje.

Źródło: dx.doi.org