Specjacja sympatryczna we wnętrzu cykady

Ed Yong

2014-10-10

Łatwo sobie wyobrazić sytuację, że bariera fizyczna, taka jak rzeka lub góry, może powodować tworzenie się nowych gatunków. W sytuacji gdy po dwóch stronach przegrody zostaną odizolowane, dwie populacje tego samego gatunku nie będą mogły się wspólnie rozmnażać. Zaczną ewoluować według swoich odrębnych ścieżek, dopóki różnice nie staną się tak wyraźne, że uniemożliwią rozmnażanie osobnikom z tych gatunków nawet, gdy się spotkają. W ten sposób z jednego gatunku powstaną dwa.

Jest także wiele przykładów, gdy nowe gatunki powstały bez żadnej bariery - gdy jedna populacja podzieliła się na dwie nawet w sytuacji, gdy jej członkowie zajmowali tę samą przestrzeń. Nazywamy takie zjawisko specjacją sympatryczną (z greckiego „z tej samej ojczyzny”). Nazwa powstała ponad wiek temu lecz była kontrowersyjna przez prawie cały czas. Naukowcy wykrywali jednak coraz więcej przykładów potwierdzających słuszność tej koncepcji, gdy nowe osy, muchy, ryby i drzewa ewoluowały inaczej żyjąc obok siebie. W zeszłym tygodniu, pojawiła się wiadomość, o nowym gatunku mrówki tzw. deadbeat ant , który oddzielił się od macierzystego gatunku, żyjąc cały czas w tej samej kolonii.

Poprzedni, intrygujący przykład, opisali James Van Leuven i John McCutcheon z Universytetu Montana. Dotyczy bakterii zwanej Hodgkinia, która podzieliła się na dwa oddzielne gatunki, żyjąc w komórkach owada. Nie występowała tam żadna bariera. Sardynki w puszce nie są tak stłoczone jak bakterie Hodgkinia. Bakterie były upakowane w takie same dokładnie mikroskopowe struktury, lecz w jakiś sposób udało im się rozdzielić na dwa różne gatunki.

Dwa potomne gatunki stanowią, jak gdyby, dwie połowy swojego przodka. Każdy z nich utracił geny oryginalnej bakterii Hodgkinia, lecz utraciły inne geny. Każdy gatunek kompensuje utratę, jaka nastąpiła u siostrzanego gatunku. Są one dokładnie komplementarne - po połączeniu można uzyskać (prawie) kompletny genom ich przodka.

Van Leuven i McCutcheon dokonali swojego odkrycia badając cykady - owady znane z ogłuszających dźwięków. Około pięć lat temu wykazali, że w jednym gatunku cykady wewnątrz komórek żyją dwa rodzaje bakterii - Sulcia i Hodgkinia. Jest to normalne, wiele owadów ma pomocników w postaci wewnętrznych bakterii lub „endosymbiontów”. U owadów ssących sok roślin jak cykady, takie mikroby działają jak suplementy diety, tworząc substancje odżywcze, których te owady nie mają w swojej diecie.

Sprawy zaczęły wyglądać dziwnie, gdy Van Leuven iMcCutcheon przeanalizowali DNA cykady południowo-amerykańskiej zwanej Tettigades undata. Zbadali wiele fragmentów DNA bakterii Hodgkinia, lecz, po próbach, nie mogli połączyć ich w pojedynczy genom. Zawsze tworzyły dwa oddzielne genomy. Dla ułatwienia, będę je nazywał H1 i H2.

Wspomniane dwa genomy należą do rożnych bakterii; nigdy nie odkryto ich w tej samej komórce. Zespół badaczy potwierdził, to za pomocą cząsteczek fluorescencyjnych przeznaczonych do znakowania każdego genomu - żółtych dla H1 oraz niebieskich dla H2. Wyniki można zobaczyć na fotografii poniżej. Każda mała kropka odpowiada oddzielnej bakterii a każda z nich zawiera genom H1 lub H2 lecz nigdy nie ma ich obu. (Zielone kropki oznaczają Sulcia, a fioletowe należą do cykady)

Dwa gatunki Hodgkinii (niebieskie i żółte kropki) w komórkach cykady. Zdjęcie: Van Leuven et al, 2014.

Opisane bakterie pochodzą od wspólnego przodka, którego nazwałem H0, pochodzącego sprzed około 5 milionów lat. Badacze zdobyli dobre wyobrażenie, jak wyglądał ten przodek, dzięki dokładnemu zbadaniu pokrewnych gatunków cykad, które mają jeden genom Hodgkinii zawierający 137 geny. 20 z nich występuje w H1 lecz nie ma ich w H2, natomiast 44 są w H2 lecz nie ma ich w H1. Wszystkie (oprócz jednego) znaleziono w jednym lub u obu gatunków potomnych.

Taki wzór bardzo przypomina sytuację, gdy gatunek duplikuje swój cały genom, tak jak zdarzało się wiele razy w procesie ewolucji kwiatów, ryb i innych organizmów. Nagle gatunek ma dwie kopie każdego genu. Ponieważ jest mu potrzebna tylko jedna kopia, w drugiej pojawiają się mutacje prowadzące do nieaktywności i niszczą ją, co się często zdarza. W wyniku tego powstaje genom z prawie taką samą liczbą genów, lecz umieszczoną na podwójnej ilości materiału.

I to właśnie zobaczyli Van Leuven i McCutcheon u swoich cykad, oryginalną bakterię Hodgkinia zdublowaną do dwóch niezależnych genomów, z których jedna tworzy kopię zapasową oryginalnego genomu. Lecz w przypadkach duplikacji całego genomu, zdublowane DNA nadal jest częścią tego samego genomu. Nie w tym przypadku; w tym przypadku H1 i H2 są całkiem oddzielnymi bytami. Proces, w wyniku którego powstały, jest podobny do rozdzielania monet wzdłuż ich brzegu, tak żeby uzyskać monety tylko z reszką oraz tylko z orłem. Przy takim postępowaniu nie powstaje nowy obraz. H1 i H2 nie mają funkcji innych od tych, które posiada H0.

Jest to całkowicie jasne, gdy przyjrzymy się genom. H0 umożliwia przyswajanie przez gospodarza, czyli cykadę składników odżywczych takich jak witamina B12 i metionina. W to zadanie jest zaangażowanych wiele genów, po jednym dla każdego kroku w łańcuchu reakcji chemicznych ostatecznie produkujących podane substancje. Jeżeli chodzi o H1 i H2 jest tak samo, lecz żaden z tych genomów nie ma kompletnego zestawu genów dla pełnego łańcucha. Żaden z nich sam nie może zapewnić cykadom wymaganych czynników odżywczych. Muszą działać razem, przesuwając substancje chemiczne wzdłuż, jak gdyby, linii produkcyjnej przechodzącej pomiędzy dwoma sąsiednimi fabrykami.

Jak taki skomplikowany układ wyewoluował? Jak z populacji H0 powstały żyjące obok siebie komórki H1 i H2?

Bardzo trudne jest uzyskanie pewności, lecz McCutcheon wpadł na koncepcję, którą przedstawiono na rysunku poniżej. Każda bakteria Hodgkinia zawiera tysiące kopii swojego genomu (zielone kółka) w tej samej komórce (czarny obwód). W pewnym punkcie, u jednej bakterii następuje mutacja w jednym z jej genomów, która powoduje uszkodzenie jednego genu (zaznaczonego na żółto). U drugiej bakterii następuje mutacja, znowu w jednym z jej genomów, która powoduje uszkodzenie innego genu (zaznaczonego na niebiesko).

Jak z jednego gatunku bakterii Hodgkinia powstają dwa?. Zdjęcie: Van Leuven et al, 2014.

Przy takiej dużej ilości genomów znajdującej się w każdej z komórek powstałe mutacje nie mają znaczenia. Są niewidoczne dla naturalnej selekcji i swobodnie się rozprzestrzeniają. Przy podziale bakterii, przyszłe pokolenia potomne mogą mieć dwa genomy z mutacją, następnie cztery, potem osiem (C).

W końcu występuje pewnego rodzaju wąskie gardło (D) - pewne zdarzenie powodujące powstanie linii komórek, w których wszystkie genomy zawierają żółtą mutację lub niebieską. Żadna z tych dwóch linii nie jest przydatna cykadom pojedynczo, ponieważ żadna z nich nie może zapewnić pełnego zestawu koniecznych czynników odżywczych dla tych owadów. Muszą działać razem, tak więc obie muszą występować w pobliżu. Każda z nich zaczyna tracić coraz więcej genów, lecz zawsze w sposób komplementarny. W końcu przekształcają się w H1 i H2.

Prawdopodobnie pomocne jest, że cykady żyją do 17 lat – to długo jak na owady, lecz cała nieskończoność dla bakterii. Przez większość tego czasu cykady mieszkają pod ziemią jako niedojrzałe nimfy (larwy), które ledwie rosną. W ciągu tych lat, symbionty nie mają większego znaczenia. Mogą one zmieniać się, ewoluować, a nawet tworzyć szkodliwe mutacje, nie wpływając na życie swoich gospodarzy. Te same wybryki symbiontów byłyby większym problemem u krótko-żyjących owadów takich jak mszyce, wtedy zarówno gospodarze, jak i mikroby z uszkodzonym genomem byłyby szybko wyeliminowane przez dobór naturalny. Nie jest to prawdopodobnie przypadkiem, że - jak pisze McCutcheon: „U najdłużej żyjących cykad genomy bakterii Hodgkinia skoczyły na głębokie wody”:

„Uważamy, że jest to bardzo wyraźny przypadek nieadaptacyjnej ewolucji”. Hodgkinia niczego nie zyskuje dzięki rozszczepieniu na dwa gatunki tak samo jak cykada. Jest to wynik losowych zdarzeń. Można to potraktować jako bardzo ważne przypomnienie faktu, że ewolucja nie jest dążeniem w kierunku lepszych i bardziej skutecznych form. Czasami, prowadzi do większej złożoności dzięki swojemu działaniu. Jak mówi McCutcheon „nowa symbioza nie jest w żaden sposób lepsza od prostszej wersji. Jest tylko bardziej skomplikowana i się zaklinowała”

Odniesienie: Van Leuven, Meister, Simon & McCutcheon. 2014. Sympatric Speciation in a Bacterial Endosymbiont Results in Two Genomes with the Functionality of One. Cell. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.07.047

Inne przykład dziwnych symbiontów owadów: Snug as a Bug in a Bug in a Bug

One species becomes two inside an insect

Tłumaczenie: Elżbieta Pląskowska

Ed Yong

Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację.
Strona www autora