Ewolucja obserwowana na żywo
Zmiany klimatu postępują w tempie, które zagraża bioróżnorodności. Czy ewolucja może „przyspieszyć” i zdążyć uratować ginące gatunki? I w jaki sposób można byłoby to sprawdzić? Jak przeprowadzić badanie wolno działającej ewolucji w krótkotrwałym eksperymencie? Tego zadania – biorąc udział w pracach potężnego międzynarodowego zespołu – podjął się dr hab. Maciej Wódkiewicz z Wydziału Biologii UW.
W ramach eksperymentu zebrano gigantyczną liczbęponad 74 tys. próbek roślinnych do badań genetycznych, stworzono 43 ogrody badawcze na trzech kontynentach, wysiano tysiące nasion. Eksperyment trwał 5 lat.
To skomplikowane logistycznie i badawczo długoterminowe badanie o bardzo szerokim zasięgu pozwoliło ustalić, że wdrażając odpowiednie mechanizmy ewolucyjne, rośliny są w stanie dość szybko przystosować się do zmian klimatu i przetrwać.
Analizując zmiany składu genetycznego roślin, naukowcy obserwowali, że częstość występowania wyjściowych wariantów genetycznych gwałtownie zmieniała się w trakcie eksperymentów. A zmiany częstości alleli, czyli różnych wariantów jednego genu, znacznie przekroczyły oczekiwania. Co dokładnie ustalili?
– Jak się okazało, ewolucja rozumiana jako selekcja najbardziej dostosowanych alleli przebiega kierunkowo, a nie losowo – mówi dr Wódkiewicz. – W podobnych warunkach będzie przebiegać podobnie, a eliminowane będą allele nieprzystosowane do nowych warunków. Zasadniczo różni się to od dryfu genetycznego. W jego ramach z populacji losowo „wypadają” osobniki, zubażając pulę genową o allele, które „zabierają” ze sobą – wyjaśnia biolog, przedstawiając wyniki badania.
„Supereksperyment”
Jak zaplanować i zorganizować tego rodzaju projekt badawczy na globalną skalę? Metodologia badania musi być, z racji jego skali, odpowiednio starannie dobrana i dopracowana w najdrobniejszych szczegółach. Eksperymenty dotyczące ewolucji gatunków prowadzone były dotychczas przede wszystkim na mikroorganizmach w warunkach laboratoryjnych. Pozwalało to na obserwację wielu szybko następujących po sobie pokoleń.
– W trakcie projektu udało się nam prześledzić równoczesną ewolucję roślin w podobnych i w różnych warunkach. Co ważne, były to warunki naturalne, a więc dużo bardziej złożone niż w pełni kontrolowane eksperymentalne warunki uzyskiwane w komorach klimatycznychw laboratoriach – podkreśla dr hab. Wódkiewicz.
Projekt sieci GrENE-net zainicjowano w 2015 r., a pierwsze rośliny wysiano dwa lata później. Wstępne wyniki uzyskano w ciągu kolejnych trzech lat.
Plantacje eksperymentalne utworzono m.in. w Niemczech (Würzburg, Monachium, Kolonia), we Francji (Montpellier, Saint Just en Chevalet), w Hiszpanii (Madryt, Barcelona, Kadyks, Majorka), Holandii (Utrecht), Norwegii (Bergen), Grecji (Lesbos), Estonii (Tartu), USA (Austin, Durham, Brackenridge, Armonk New York) oraz w kibucu Sede Bokerna na pustyni Negew w Izraelu. Polskie poletko doświadczalne powstało na Kampusie Ochota Uniwersytetu Warszawskiego.
– Pierwotnie założono 43 ogrody, ostatecznie udało się doprowadzić eksperymenty do końca w 30. W tym tkwiła ogromna siła tego synchronizowanego eksperymentu – wyjaśnia dr hab. Maciej Wódkiewicz. – Mamy ogrody w różnych klimatach, ale mamy też miejsca, w których klimat jest podobny. Można zatem śledzić zachowanie się roślin i zmiany w odpowiedzi na różne klimaty oraz zobaczyć, czy w takich samych klimatach zachodzą podobne zmiany – mówi badacz.
W projekcie brało udział wiele osób z różnych stron świata.
– To specjaliści z różnych dziedzin, którzy zajmowali się badaniem na kolejnych etapach: utrzymaniem powierzchni badawczych, zbiorem kwiatów do sekwencjonowania i ich wysyłką, izolacją DNA, przygotowaniem do sekwencjonowania, samym sekwencjonowaniem, analizą danych z sekwencjonowania, przygotowaniem danych do publikacji, analizą i wizualizacją wyników, a na koniec pisaniem artykułu naukowego – opowiada naukowiec.
Warunki monitorowane na bieżąco
Bardzo ważne dla całokształtu badania było to, że dane genetyczne połączono w nim z rejestrowanymi na bieżąco danymi klimatycznymi. Istotny dla metodologii pozostawał fakt, że w każdym ogrodzie założono 12 oddzielnych rabat obsianych mieszanką 231 dzikich linii rzodkiewnika pochodzących z Europy, Azji i Afryki. Nasiona pochodziły z banku nasion rzodkiewnika utrzymywanego przez ABRC (https://abrc.osu.edu/) i zostały wcześniej zebrane w ramach projektu 1001 Genomes (https://1001genomes.org/). Kluczową fazą badań było sekwencjonowanie genów.
– Na podstawie zebranych próbek chcieliśmy dowiedzieć się, jaka jest częstotliwość występowania alleli w poszczególnych populacjach – wyjaśnia dr hab. Maciej Wódkiewicz. – Do sekwencjonowania została użyta metoda PoolSeq, w której nie są sekwencjonowane pojedyncze osobniki, ale DNA wszystkich osobników. Sekwencjonowaliśmy oddzielnie całość materiału zebranego w danym momencie z każdego z 12 powtórzeń eksperymentu z każdego ogrodu badawczego. W ten sposób dowiadujemy się, jaka jest frekwencja alleli w populacji, a zatem jesteśmy w stanie ocenić zmianę tej frekwencji w porównaniu do wyjściowej mieszaniny nasion 231 linii rzodkiewnika – mówi badacz.
Rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana) to roślina pochodząca z rodziny kapustowatych. Jest spokrewniony z rzeżuchą, kalafiorem, kapustą, brokułami, brukselką, rzepakiem i gorczycą.
– To jednoroczny gatunek, o którym bardzo dużo wiemy. To pierwsza roślina, której genom został w całości zsekwencjonowany – wyjaśnia naukowiec. – Wiemy, jakie ma geny, gdzie znajdują się one w genomie i za co odpowiadają. Rzodkiewnik jest łatwy w uprawie, mało wymagający, wszechobecny. To, że jest jednoroczny pozwala prześledzić kolejno następujące po sobie pokolenia. Ewolucję gatunków wieloletnich dużo trudniej badać – kontynuuje badacz z Wydziału Biologii UW.
Co wyznacza granice?
Sekwencjonowanie genomu roślin, które ocalały, ujawniło powtarzalne zmiany częstości alleli w podobnych klimatach, ale rozbieżne zmiany w warunkach kontrastujących.
Badacze zidentyfikowali warianty genetyczne powiązane z przystosowaniem do klimatu, w tym geny zaangażowane w procesy od wykrywania stresu termicznego po wiosenny czas kwitnienia.
Istotna dla roślin okazała się średnia roczna temperatura. W przypadku ciepłych rejonów, rośliny sprawniej adaptowały się do nowych warunków po przesadzeniu do ogrodów o temperaturze o ok. 1,5 st. Celsjusza niższej niż miejsce ich pochodzenia.
Pomimo dowodów na szybką ewolucję w różnych strefach klimatycznych, w niewielkiej części eksperymentalnych ogrodów trendy ewolucyjne były jednak nieprzewidywalne.
Okazało się też, że szybka adaptacja nie zawsze wystarcza do uniknięcia wymarcia.
W najcieplejszych środowiskach, które prawdopodobnie staną się bardziej powszechne wraz z globalną zmianą klimatu, powtarzalność zmian ewolucyjnych wczesnych pokoleń oddzieliła populacje, które przetrwały od tych, które wyginęły. To sugeruje – jak wnioskują badacze w opisującej badania publikacji w Science – że istnieją punkty krytyczne, w których skrajna selekcja wygrywa z potencjałem do adaptacji.
I chociaż szybka adaptacja do klimatu dzięki stałej zmienności genetycznej jest możliwa, zrozumienie, które warunki środowiskowe, genetyczne lub gatunkowe wyznaczają granice ewolucji, będzie miało kluczowe znaczenie dla przewidywania reakcji roślin na zmiany klimatyczne.
Ewolucja dogania klimat
Czy badanie przeprowadzone przez GrENE-net daje nadzieję na choć częściowe zachowanie bioróżnorodności na Ziemi?
– Nasza planeta podlega ciągłym zmianom; raz szybszym, raz wolniejszym. Żyjące na niej gatunki nieustannie muszą się do czegoś przystosowywać. Ta zmienność jest wpisana w samo życie – stwierdza dr hab. Maciej Wódkiewicz.
– Myślę, że rolą naukowców jest poznawanie tego życia, jego procesów, zmian. Czy musimy je kontrolować? Opinie są różne. Czy powinniśmy zapobiegać zmianom? Opinie też są różne. Czy jesteśmy w stanie zachować obecny obraz życia na naszej planecie? Raczej nie. Jeśli byśmy to zrobili, to co z ewolucją? Czy byłaby dalej potrzebna? – zapytuje naukowiec.
Nauka ma coraz więcej narzędzi i wiedzy, by móc badać oraz kontrolować ewolucję. Jak daleko ludzkość powinna ingerować w jej procesy, pozostaje kwestią otwartą.
