Maleńkim lisom na Wyspach Santa Barbara brakuje różnorodności genetycznej i strachu przed ludźmi
Jerzy Coyne
2016-05-15
Zdjęcie: Chien Lee/Minden Pictures
Na Wyspach Santa Barbara na Pacyfiku, znajdujących się od 20 do 113 km od wybrzeża południowej Kalifornii, żyje sześć podgatunków lisów wyspowych (Urocyon littoralis), karłowatego gatunku, który jest bliskim krewnym lisa wirginijskiego (U. cineroargenteus) żyjącego na stałym lądzie. Dane genetyczne sugerują, że te lisy zostały odizolowane od lisów z lądu około 9 tysięcy lat temu. Być może przywieźli je na wyspy Indianie, którzy mogli uważać je za święte „zwierzęta totemiczne”.
Cztery z tych podgatunków są oficjalnie zaliczone do gatunków zagrożonych, bo ich populacje są bardzo niewielkie, prawdopodobnie z powodu ataków orłów i nosówki. Trzymają się jednak i dzięki wysiłkom ludzi ich populacja wzrasta. Chwilowo nie musimy się o nie martwić.
Są to urocze małe zwierzaki, w pełni godne tytułu Honorowego Kota™. W odróżnieniu od gatunków lisów z lądu, które ważą między 4 a 7 kilogramów, te lisy skarłowaciały i ważą, według artykułu Carla Zimmera w “New York Times”, zaledwie 1,4 kilograma! Dla porównania, przeciętny, niezbyt otyły kot domowy waży między 3 a 4,5 kilograma, a więc te koty ważą około jednej trzeciej normalnego kota (lub jednej piątej Hili*)! Skamieniałości pokazują, że lisy te były w pełni skarłowaciałe już 7 tysięcy lat temu, ewolucja do małych rozmiarów zabrała więc tylko około dwóch tysiącleci.
Wiele zwierząt, które zajmują wyspy, karłowacieje (“karłowacenie wyspowe“) z powodów, których w pełni nie rozumiemy. Podejrzewam, że ma to coś wspólnego z niedoborami żywności: jeśli jesteś duży, potrzebujesz dużo pokarmu, żeby przeżyć i rozmnożyć się i może ci powieść się lepiej, jeśli masz geny na niewielkie rozmiary. Są jednak również inne wyjaśnienia (patrz link). Innym przykładem tego zjawiska są słynne karłowate słonie – niższe od człowieka – które żyły na wyspach na Morzu Śródziemnym w plejstocenie. (Co ciekawe, Wyspy Santa Barbara także miały karłowate mamuty.)
Tutaj jest wideo pokazujące ich rozmiary i urok jednego z podgatunków wraz z opisem, jak biolodzy próbują je uratować. Obejrzyj je, bo jest dobrym podsumowaniem sytuacji tego podgatunku.
Powodem, dla którego piszę o tym gatunku jest to, że jest tematem nowego artykułu Jacquiline Robinson i in. w „Current Biology” (odnośnik i link poniżej). Artykuł pokazuje, że wszystkim sześciu podgatunkom brak zróżnicowania genetycznego; w rzeczywistości jeden z nich jest kręgowcem o najmniejszym zróżnicowaniu genetycznym, jakie kiedykolwiek opisano. To odkrycie zaprzecza powszechnie panującej wśród biologów tezie, że małe zróżnicowanie genetyczne jest zawsze ostrzeżeniem, że gatunek jest zagrożony. A sama teza pochodzi z teorii ewolucji: bez zróżnicowania genetycznego nie możesz reagować na naciski selekcyjne, takie jak nowe choroby, zmiany w środowisku i tak dalej; jeśli zaś te naciski wystarczająco zwiększają śmiertelność i zmniejszają rozmnażanie, gatunki o bardzo małym zróżnicowaniu genetycznym mogą wymrzeć.
Tutaj są wyspy, z których pobierano próbki do badania:
Badacze wykonali pełne sekwencjonowanie genomów każdego zwierzęcia (coś, o czym tylko mogliśmy marzyć dwadzieścia lat temu) i zrobili to dla jednego lisa z każdej wyspy, poza dwoma lisami z Wyspy San Nicolas, jak również jednego lista wirginijskiego ze stałego lądu. Tutaj jest filogeneza lisów według danych molekularnych. Dwa lisy z San Nicolas były genetycznie niemal identyczne, co omówię poniżej. Jedną z rzeczy, które pokazuje ta filogeneza, jest, że podgatunki lisów na tych wyspach są ściślej spokrewnione ze sobą niż z domniemanym przodkiem, listem wirginijskim. Znaczy to (chyba, że był przepływ genów między wyspiarskimi populacjami lisów), że wszystkie lisy na wyspach są potomkami jednego przodka, który dostał się na jedną wyspę, a potem rozprzestrzenił na pozostałe. Gdyby każda wyspa była niezależnie kolonizowana przez migrujące lisy wirginijskie, filogeneza nie wyglądałaby tak:
Niezwykłym odkryciem w tym badaniu było niezmiernie małe zróżnicowanie genetyczne we wszystkich tych podgatunkach, szczególnie podgatunku z San Nicolas, który miał najniższą zaobserwowaną różnorodność genetyczną ze wszystkich rozmnażających się płciowo gatunków. Autorzy nazywają to zjawisko „genomicznym spłaszczeniem”, co jest również częścią tytułu ich pracy.
Można zapytać, jak jest możliwa ocena różnorodności genetycznej u podgatunku, skoro zbadano tylko jednego osobnika? Możemy to ocenić, ponieważ przy sekwencjonowaniu całego genomu możemy spojrzeć na obie kopie genu i jeśli mają identyczne sekwencje DNA, sugeruje to, że zróżnicowanie genetyczne całego gatunku jest zubożone. Każdy osobnik otrzymuje jedną kopię od ojca, a drugą od matki. Jeśli obie są takie same, to sugeruje to, że populacja jako całość jest genetycznie dość zubożona i wszystkie osobniki mają takie same sekwencje DNA.
Różne podgatunki różniły się jednak od siebie, jak można było spodziewać się przy ich różnicach w budowie i ubarwieniu.
Lisy z San Nicolas są zdumiewająco mało zróżnicowane, a te dwa osobniki były nie tylko homozygotyczne w większości miejsc DNA, ale – jak się spodziewano – niemal identyczne genetycznie. Były odpowiednikiem bliźniąt jednojajowych lub klonów, jak musi być też cała populacja. Heterozygotyczność tej populacji (wyliczona jako π czyli zróżnicowanie nukleotydowe) wynosiła około 0,000016, przy przeciętnie zaledwie około 1,6 miejsc DNA na 100 tysięcy wykazujących różnice między genami matczynymi i ojcowskimi.
Tutaj jest lista zróżnicowania nukleotydowego u różnych gatunków z gwiazdkami obok podgatunków lisów. Litery pokazują inne gatunki, jak gepard, którego podejrzewano, że jest zagrożony, z powodu niskiego zróżnicowania genetycznego. Proszę zauważyć, że histogram jest w skali logarytmicznej, a prostokąty reprezentują w sumie 159 gatunków rozmnażających się płciowo. Lisy są bardzo nisko, a podgatunek z San Nicolas nie mieści się w skali. Dla ludzi wartość pi wynosi około 0,001, nie tak daleko od lisów z Santa Catalina, a dla muszki owocowej Drosophila π wynosi około 0,01.
Caption from paper: C) Histogram showing the distribution of published genome-wide estimates of p from 159 outbreeding species (137 animal, 11 plant, 8 fungus, and 3 protist taxa; see the Supplemental Experimental Procedures), with the position of island and gray fox heterozygosity values indicated by asterisks. See also Data S1.
Innym odkryciem tego badania jest to, że populacja lisów, raz jeszcze z lisami z San Nicolas jako skrajnością, ma wysoką liczbę miejsc DNA, gdzie wpływ na osobnika jest przypuszczalnie niedobry: obejmuje to miejsca, gdzie każde nowe podstawienie wpłynie na sekwencję białka (zazwyczaj na gorsze) i na utratę funkcji genów, w której populacja po prostu nie wytwarza białka, jakie powinna wytwarzać. Nie ma bezpośrednich dowodów, że którakolwiek z tych zmian jest szkodliwa dla przeżycia i rozmnażania.
Populacje na wszystkich wyspach miały podniesione poziomy potencjalnie szkodliwych genów w swoich genomach. Teoria genetyki populacyjnej pokazuje, że mała liczebność populacji może poprzez zjawisko dryfu genetycznego (losowych zmian częstotliwości spowodowanych efektami próby) podnieść częstotliwość występowania szkodliwych genów. Na przykład, gen dający deficyt reprodukcyjny 1% w porównaniu do jego alternatywy, będzie praktycznie neutralny w populacjach mniejszych niż 100. I dryf był z pewnością możliwy u tego gatunku, ponieważ poziom heterozygotyczności, jak również obserwacje bezpośrednie w ostatnich latach wskazują, że niektóre populacje zmniejszyły się kiedyś do 10-100 osobników.
Rezultat: Mimo małej liczebności populacji te podgatunki lisów mają się dobrze, chociaż biolodzy ostrzegają nas, że tak niski poziom zróżnicowania genetycznego może być szkodliwy i prowadzić do wymarcia. Może to ich wysiłki w połączeniu z dość dobrotliwym środowiskiem łagodzi efekty niskiego zróżnicowania genetycznego.
A czy wspomniałem, że nie boją się ludzi? Jak pisze Carl Zimmer w artykule:
“One są jak dodo – powiedział w wywiadzie dr Wayne [kierownik badania]. – Nie mają pojęcia o strachu przed ludźmi. Możesz wziąć je na kolana”.
Marzę o tym!
_________
Robinson, Jacqueline A., D. Ortega-Del Vecchyo, Z. Fan, Bernard Y. Kim, Bridgett M. vonHoldt, Clare D. Marsden, Kirk E. Lohmueller, and Robert K. Wayne. Genomic Flatlining in the Endangered Island Fox. Current Biology, in press. doi:10.1016/j.cub.2016.02.062
Uwaga od Redaktor Naczelnej: Szanowny Autor przecenia mnie. Ważę 5,5 kilograma więc Urocyon littoralis waży niespełna cztery razy mniej ode mnie.
Profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji. Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.
