W ostatnim tygodniu napisałem dwa posty o tym, co – jak sądzę – będzie moją ostatnią „pracą badawczą”, tj. pracą, przy której autentycznie wykonuję pracę w laboratorium (popychając muszki). Dość obszernie to opisałem, ponieważ uważam, że eksperyment był ciekawy, wyniki rozstrzygające i ponieważ był to eksperyment, jaki chciało wykonać wielu genetyków ewolucyjnych, ale nie mogło, bo trwał zbyt długo, by otrzymać wyniki w ramach czasowych jednego grantu. Jest to rodzaj eksperymentu, jaki robisz z czystej ciekawości: żeby zobaczyć, co się stanie.
Część 1 była opisem badania: jego celów i metod, co odpowiada z grubsza działom „Wprowadzenie” i „Metody i materiały” w opublikowanym artykule (i w większości opublikowanych artykułów naukowych). W tym poście opisałem, jak stworzyliśmy „roje hybrydowe” z dwóch par siostrzanych gatunków, każda para składająca się z szeroko rozprzestrzenionego gatunku Drosophila żyjącego na kontynencie i endemicznego gatunku siostrzanego ograniczonego do oceanicznej wyspy (D. simulans/D. mauritiana i D. yakuba/D. santomea). Każdy rój zaczynał od 50% DNA, organelli i cytoplazmy z dwóch gatunków rodzicielskich. Stworzyliśmy 8 rojów-replik dla każdej pary.
Celem było po prostu zobaczenie, co się dzieje, kiedy mieszamy dwa gatunki, a potem pozwalamy populacji rozwijać się przez 20 pokoleń bez żadnej narzuconej przez eksperyment selekcji. Czy mieszanka wyewoluuje z powrotem do jednego z gatunków rodzicielskich? Jeśli tak, to do którego i czy ten powrót będzie powtórzony we wszystkich ośmiu replikach? Czy też po prostu otrzymamy mieszankę, która będzie trwała i niewiele się zdarzy? Alternatywnie, czy możemy wręcz otrzymać nowy gatunek – „diploidalny gatunek hybrydowy”, który będzie reprodukcyjnie izolowany od obu gatunków rodzicielskich? Te pytania mają związek z kompatybilnością genów dwóch gatunków w jednej mieszance: czy geny gatunku są „koadaptowane“, to jest, czy dobrze pracują razem, ale nie mogą tolerować obecności genów innego gatunku? Czy istnieje szeroka tolerancja dla genów blisko spokrewnionego gatunku?
W Części 2 opisałem, co się stało (dział „wyniki” w artykule). W skrócie, wyniki były rozstrzygające i powtarzalne: wszystkie repliki w obu rojach powróciły do gatunku rodzicielskiego – w obu wypadkach do dominującego, kontynentalnego gatunku (D. simulans w jednym wypadku i D. yakuba w drugim). Ten powrót był widoczny w kilku cechach morfologicznych, które odróżniają samców od siebie w gatunkach rodzicielskich, w zachowaniu godowym muszek, w ich płodności przy krzyżowaniu z dwoma gatunkami rodzicielskimi i w sekwencjach samego DNA. Ponieważ wszystkie cechy i różnice zachowania są z pewnością oparte na DNA, wszystkie wyniki wspierają się wzajemnie. Niemniej, obcy DNA nie został całkowicie wyeliminowany w rojach po 20 pokoleniach, ale to jest tylko jeden rok w laboratorium i mógłby być wyeliminowany bardziej przez dobór przez dłuższy czas.
Co więc to wszystko znaczy?
Dobór spowodował, że każdy hybrydowy rój powrócił do organizmu bardzo przypominającego jeden z rodzicielskich gatunków. W żadnym z wypadków nie otrzymaliśmy niczego podobnego do nowego hybrydowego gatunku: we wszystkich wypadkach rój powrócił do wyglądu i zachowania jak kontynentalny gatunek rodzicielski i jego DNA było przeciętnie w 93-94% DNA dominującego gatunku, a reszta genomu pokazywała nieco DNA z mniejszego gatunku.
To znaczy, że jakiś rodzaj doboru eliminował z czasem z mieszanki geny gatunku wyspiarskiego. Nie wiemy, co to jest za rodzaj doboru (patrz poniżej), ale z pewnością wiele z tego musiało dotyczyć niekompatybilności między gatunkami, które prowadziły do sterylności hybryd i dyskryminacji w wyborze partnerów. Będą one wyeliminowane niezależnie od tego, w jakim środowisku testujesz muszki, bo taki dobór jest niezależny od środowiska. Dotyczy tylko pozbywania się genów, które dają źle funkcjonujące hybrydy. A eliminacja tych genów wyeliminuje także cały DNA związany z tymi genami, niezależnie od tego, czy jest neutralny, czy także szkodliwy. To jest „efekt autostopowicza” spowodowany faktem, że geny siedzą obok siebie na chromosomach i jeśli szybko eliminujesz jeden odcinek, wyeliminuje to również sąsiednie geny z populacji. Zaskoczyło mnie jednak, jak szybki był to powrót i jak powtarzalny: nie tylko wszystkie repliki powróciły do tego samego rodzica, odcinki DNA, które „pozwalały” na obce geny, generalnie były te same we wszystkich replikach.
To prowadzi do kolejnego pytania:
Dlaczego populacje zawsze wracały do kontynentalnego gatunku? Jest tu kilka możliwości i krótką odpowiedzią jest to, że po prostu nie wiemy. Oto możliwości (kilka z nich mogło, oczywiście, działać równocześnie).
a. Gatunki wyspiarskie, obejmujące mniejsze populacje, mogą być wynikiem większego chowu wsobnego niż gatunki kontynentalne. Jeśli tak jest, gatunki wyspiarskie mogą mieć wyższą częstotliwość szkodliwych genów, bo takie geny dochodzą do wyższych częstotliwości w mniejszych populacjach. (To dlatego w małych, wsobnych grupach ludzi, takich jak Amisze lub Bracia Dunkers, jest dużo zaburzeń genetycznych.) W takich wypadkach „zdrowsze” geny z mniej wsobnego gatunku kontynentalnego zastąpią te szkodliwe geny. Uważam to za mało prawdopodobne, ponieważ gatunki wyspiarskie są nadal obecne, przynajmniej dzisiaj, w znacznych ilościach, co czyni je mniej podatnymi na „depresję wsobną”. Ponadto, ta depresja dotknęłaby niemal wszystkie odcinki genomów gatunków wyspiarskich.
b. Kontynentalne gatunki są bardziej ekologicznie uogólnione niż gatunki wyspiarskie, jako że te drugie żyją w ograniczonym środowisku, podczas gdy te pierwsze wędrują przez bardziej zróżnicowane habitaty. (Na przykład, D. santomea jest ograniczona do lasu deszczowego na dużej wysokości na Saõ Tomé, podczas gdy D. yakuba może żyć w lasach, na łąkach i na sawannie). To znaczy, że kontynentalne gatunki mogą mieć genomy, które obejmują wszechstronne geny i dlatego mogą z większym prawdopodobieństwem zastąpić geny wyspiarskiego gatunku w obcym środowisku laboratorium. Kilku ekologów zaproponowało tezę, że gatunki endemiczne dla wyspy są często węziej zaadaptowane niż ich kontynentalni krewni.
c. Kontynentalne gatunki były lepiej dostosowane do warunków środowiskowych, jakich użyliśmy (standardowa pożywka mąka kukurydziana/agar/drożdże, hodowane w temperaturze 24°C, 12 godzinne cykle światła-ciemności i wysoka wilgotność), ale w innych warunkach geny wyspiarskich gatunków mogły być lepiej dostosowane. Na przykład, D. santomea woli niższe temperatury niż D. yakuba i może, gdybyśmy zostawili roje w temperaturze, powiedzmy, 18° C, rój powróciłby do D. santomea. To jeszcze trzeba będzie zbadać.
d. Genomy wyspiarskich gatunków mogą po prostu zawierać więcej genów powodujących niekompatybilność hybryd niż gatunki kontynentalne. To prowadziłoby do szybszej eliminacji „wyspiarskich” genów, a więc powrotu do gatunku kontynentalnego. Jest na to nieco dowodów dla jednej z tych par, ale nie dla drugiej.
Dlaczego istnieją paralelne odcinki genomu, które zatrzymały ”obce” geny z wyspiarskich gatunków? Jak wspomniałem w poprzednim poście, pewne odcinki genomu, takie jak środek prawego ramienia drugiego chromosomu w roju D. santomea/D. yakuba oraz czubek lewego ramienia trzeciego chromosomu w roju D. mauritiana/D. simulans łatwiej zatrzymywały geny gatunków wyspiarskich, choć nie w dużej częstotliwości. Nie wiemy, dlaczego tak jest, ale wskazuje to na paralele w siłach selekcyjnych działających na różne repliki. Zachowane odcinki mogą zawierać „neutralne” geny wyspiarskich gatunków lub też wyspiarskie geny mogły być poddane pozytywnej selekcji na tych odcinkach, powodując ich wyższą częstotliwość. Ponieważ geny wyspiarskich gatunków w rzeczywistości nie osiągnęły wysokich częstotliwości (nie widzieliśmy żadnego wypadku odcinka, który miał dwie kopie genów wyspiarskich), podejrzewam, że są to tylko odcinki, które nie mają wielu genów wpływających na dostosowanie hybryd.
Ponadto, chromosom X miał najniższy stopień zachowania genów obcego gatunku. Jest to zgodne z naszą poprzednią obserwacją, że chromosomy X mają więcej genów powodujących problemy hybryd, bo są obecne tylko w jednej kopii u samców i mogą w nich ulegać ekspresji zarówno dominujące, jak recesywne geny, które powodują problemy u hybryd.
Czy istnieje paralela w ilości i naturze introgresji (domieszce genów) między tym, co widzieliśmy w laboratorium, a tym, co dzieje się w naturze? Możemy odpowiedzieć na to pytanie tylko w sprawie jednej pary: D. yakuba/D. santomea. Te gatunki bowiem występują wspólnie w wąskiej „strefie hybrydowej” na wysokości około 1000 m na São Tomé i hybrydy tworzą się naturalnie. Możemy więc zobaczyć, ile obcego genomu przechodzi z jednego gatunku do drugiego w naturze.
Odpowiedź na to brzmi: bardzo mało. Jest tylko kilka odcinków genomu każdego gatunku, który zawiera niewielkie ilości genów z drugiego gatunku, co sugeruje, że także w naturze obce geny nie są zbyt dobrze tolerowane. Jednak odcinki genomu, gdzie widzimy pewne genowe „zanieczyszczenie” w naturze, nie są tymi, które pokazały to w naszym laboratoryjnym eksperymencie. (W naturze niska liczba wymian genów jest dość równo rozdzielona w całym genomie, podczas gdy w laboratorium była skoncentrowana w określonych miejscach.) To mogłoby odzwierciedlać albo fakt, że dobór nie był zakończony w naszym roju, albo że natura selekcji w stanie dzikim różni się od tej, która zachodzi w laboratorium, a więc inne obce geny będą tolerowane.
Kilka zastrzeżeń. Nasze badanie nie pokazuje, że tworzenie się nowego gatunku po hybrydyzacji jest niemożliwe: w końcu, użyliśmy tylko czterech gatunków Drosophila (hybrydowe gatunki nie są znane w tym rodzaju), a nowe hybrydowe gatunki są znane w innych grupach, takich jak motyle i słoneczniki, chociaż dla gatunków diploidalnych nie są one częste. (Niektórzy mówią, że są częste, ale dowody na to są bardzo słabe.)
Ponadto, użyliśmy tylko dwóch szczepów w każdej hybrydyzacji: jeden z każdego gatunku. Chociaż szczepy nie były wsobne, istnieje możliwość, że gdybyśmy zaczęli z innym materiałem genetycznym z tych gatunków, uzyskalibyśmy inne wyniki. Byliśmy ograniczeni do użycia tylko niewielu szczepów, ponieważ musieliśmy otrzymać ich sekwencje DNA, żeby móc ustalić, który DNA w roju pochodził z którego gatunku. To byłoby dużo trudniejsze, gdybyśmy użyli bardziej heterogeniczny materiał startowy. Musieliśmy także wyeliminować inwersję chromosomów w tych szczepach, której obecność przeszkadzałaby wymianie genów, więc byliśmy ograniczeni do użycia tych “homosekwencyjnych” szczepów.
I, jak wspomniałem powyżej, także z tymi szczepami wyniki mogły być inne, gdybyśmy hodowali je w innych warunkach laboratoryjnych – powiedzmy, używając innej pożywki lub innej temperatury. Takie badania powinny być robione, ale wątpię, czy będą, biorąc pod uwagę trudności, jakie mieliśmy przy pracy z czterema gatunkami, po jednym szczepie z każdego i w identycznych warunkach laboratoryjnych.
Konsekwentność wyników naszego badania pokazuje jednak, że – przynajmniej w naszych warunkach eksperymentalnych – obcy DNA nie jest tolerowany nawet u blisko spokrewnionych gatunków.
Tutaj jest dziewięć gatunków D. melanogaster (samiec z każdej). D. santomea (e) jest pośrodku, godny uwagi z powodu braku pigmentacji. I na tym kończy się ta seria postów.
