Naukowcy zaobserwowali ewolucję „na żywo”. To może być klucz do przetrwania zmian klimatycznych
Zmiany klimatyczne stawiają pod znakiem zapytania przyszłość światowej bioróżnorodności. Nie wiadomo, czy powolne mechanizmy ewolucji są w stanie przyspieszyć na tyle, aby uratować gatunki przed wyginięciem. Próby odpowiedzi na to pytanie podjął się międzynarodowy zespół badawczy z udziałem dr. hab. Macieja Wódkiewicza z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Bohaterką eksperymentu była niepozorna roślina.
Trwający 5 lat eksperyment pozwolił zaobserwować procesy ewolucyjne „na żywo” w warunkach naturalnych. Wykazał, że rośliny posiadają nadzwyczajne zdolności adaptacyjne i mogą się przystosować do zmian w błyskawicznym tempie.
Skala i organizacja „supereksperymentu”
Prowadzenie badań nad ewolucją zwykle polega na obserwacji organizmów w warunkach laboratoryjnych. Nie oddaje to jednak złożoności środowiska naturalnego. Projekt GrENE-net, zapoczątkowany w 2015 roku, przeniósł takie badania w teren. Na niespotykaną dotąd skalę.
Aby poznać zdolności ewolucyjne roślin naukowcy założyli 43 ogrody badawcze na trzech kontynentach. Poletka doświadczalne powstały w skrajnie różnych strefach klimatycznych – od alpejskiej po pustynną, m.in. w Niemczech, Francji, Hiszpanii, Holandii, Norwegii, Grecji, Estonii, USA, na pustyni Negew w Izraelu oraz na Kampusie Ochota Uniwersytetu Warszawskiego. W ramach badania pobrano ponad 74 tysiące próbek genetycznych.
Dlaczego wybrano rzodkiewnik?
Gatunkiem modelowym eksperymentu został rzodkiewnik pospolity. W każdym ogrodzie utworzono 12 oddzielnych rabat, na których wysiano mieszankę 231 dzikich linii rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana) pochodzących z banku nasion ABRC.
Dlaczego wybrano właśnie rzodkiewnika, niepozorną roślinę jednoroczną z rodziny kapustowatych? Był to pierwszy gatunek rośliny, u którego w pełni zsekwencjonowano genom. Naukowcy dokładnie wiedzieli zatem, za co odpowiadają poszczególne geny. Krótki cykl życiowy rośliny umożliwił szybkie śledzenie zmian zachodzących z pokolenia na pokolenie.
Rodkiewnik pospolity jest spokrewniony z rzeżuchą, kalafiorem, kapustą, brokułami, brukselką, rzepakiem i gorczycą.
Jak geny odpowiadają na pogodę?
Kluczowym elementem eksperymentu było ciągłe monitorowanie warunków atmosferycznych i zestawianie ich z danymi genetycznymi. Zamiast sekwencjonować DNA pojedynczych roślin, zbierano je z całej rabaty. – Do sekwencjonowania została użyta metoda PoolSeq, w której nie są sekwencjonowane pojedyncze osobniki, ale DNA wszystkich osobników – wyjaśnia dr hab. Maciej Wódkiewicz.
Pozwoliło to określić dokładną częstotliwość występowania konkretnych alleli (wariantów genów) w całej populacji. Uzyskane wyniki porównywano z wyjściową częstością alleli, z początkowej mieszanki 231 linii rzodkiewnika.
Ewolucja „goni” klimat
Analiza wyników, opublikowana na łamach „Science” przyniosła przełomowe wnioski dotyczące tempa i natury ewolucji. Eksperyment wykazał, powtarzalne zmiany w podobnych klimatach, ale rozbieżne w warunkach kontrastujących.
Zmiany zachodziły m.in. w genach sterujących czasem wiosennego kwitnienia oraz mechanizmami reakcji na stres termiczny. Istotnym czynnikiem okazała się średnia roczna temperatura. Rośliny ze środowisk cieplejszych sprawniej przystosowywały się do nowego otoczenia, jeśli przesadzono je w miejsca o temperaturze niższej o około 1,5°C.
Okazało się też, że szybka adaptacja nie zawsze wystarcza do uniknięcia wymarcia. W najcieplejszych środowiskach zmiany ewolucyjne rozdzielały populacje: jedne przetrwały, inne ginęły. To sugeruje, że istnieją punkty krytyczne, w których skrajna selekcja wygrywa z potencjałem do adaptacji.
W niewielkiej części eksperymentalnych ogrodów trendy ewolucyjne były jednak nieprzewidywalne.
Co to wszystko znaczy?
Wyniki projektu pokazują, że rośliny dysponują ogromnym potencjałem do szybkiej ewolucji. Zrozumienie, gdzie leżą granice adaptacji gatunków jest kluczowe dla przewidywania przyszłości biosfery.
– Nauka ma coraz więcej narzędzi i wiedzy, by móc badać oraz kontrolować ewolucję. Jak daleko ludzkość powinna ingerować w jej procesy, pozostaje kwestią otwartą – podsumowuje naukowiec.
Źródło: Serwis Naukowy Uniwersytetu Warszawskiego
Nasza autorka
Magdalena Rudzka
Redaktorka i wydawczyni National-Geographic.pl. Wcześniej związana m.in. z National Geographic Traveler i magazynem pokładowym PLL LOT Kaleidoscope. Z wykształcenia humanistka (MISH i SNS PAN), ale to przyroda stanowi jej największą pasję. Szczególnie bliskie są jej ekosystemy słodkowodne, a prawdziwym „konikiem” są ryby. W National-Geographic.pl pisze o swoich przyrodniczych pasjach, nauce i medycynie. Prywatnie ceni sobie podróże po nieoczywistych kierunkach, ze szczególnym sentymentem do Europy Środkowej i Wschodniej.