Procesy ewolucyjne opisuje się zwykle jako powolne, rozciągnięte w tysiącach a nawet milionach lat. Ta rozciągłość staje się zresztą dla wielu przyczyną wątpliwości co do tego czy w ogóle zachodzi, skoro wszystkie dowody to skamieliny, a żadnej przemiany nie mogliśmy zobaczyć naocznie. Niemniej coraz lepiej uświadamiamy sobie, że w niektórych przypadkach, genetyczna przebudowa populacji może przebiegać znacznie szybciej. Wręcz na naszych oczach.
Ale może na początek uściślijmy - co to jest proces ewolucyjny?
Cała teoria wynika z kilku podstawowych założeń, możliwych do obserwacyjnego potwierdzenia.
1. W populacji danych organizmów występuje naturalna zmienność cech, które przybierają różną formę i natężenie oraz zmieniają się w kolejnych pokoleniach, mogąc pojawiać się wskutek mutacji lub przetasowania genów.
2. Cechy te są dziedziczone (o ile są to cechy wrodzone, bo nabyta blizna nie jest dziedziczna)
3. Cechy organizmu wpływają na jego przeżywalność w danych warunkach, i na reproduktywność
Z tego zaś wynika kilka istotnych wniosków:
A. W danych warunkach cechy umożliwiające dobrą przeżywalność i reproduktywność będą często dziedziczone, przez co większość populacji będzie zawierała te pozytywne cechy. Zatem populacja w większości będzie dostosowana do warunków.
B. Cechy pogarszające przeżycie i rozmnażanie będą stanowiły margines, będąc obecne bądź przez ciągłe powstawanie za sprawą zmienności, bądź przez statystykę (jest niezerowe prawdopodobieństwo że niedźwiedź-albinos znajdzie jednak jakąś partnerkę i będzie miał z nią potomstwo)
C. Zmiana warunków w których przebywa populacja musi pociągać za sobą przebudowę rozkładu cech, czyli zmienić ich częstość, zwiększając częstość tych pozytywnych a zmniejszając tych negatywnych.
D. W różnych populacjach pojawiać się będą różne mutacje
Proces ewolucyjny, to zmiana częstości cech w danej populacji, prowadząca do najlepszego dostosowania do warunków. Mogą być to cechy już istniejące, ale mogą być to też cechy nowe, powstające wskutek mutacji. Mutacje letalne są eliminowane, mutacja neutralne są rzadkie ale pozostają w populacji, mutacje pozytywne upowszechniają się. Czasem pozytywny lub negatywny skutek mutacji ujawnia się dopiero w pewnych warunkach.
Tak na prawdę, ewoluują nie organizmy, lecz geny i to ich częstość jest w tym procesie zmieniana. Część genów nie ujawnia się w cechach zewnętrznych, przez co wewnętrzna zmienność może być ukryta. Znamy ok. 1000 mutacji hemoglobiny, z których tylko kilkanaście daje różne formy anemii.
Powstawanie nowych gatunków jest tylko pochodną tego procesu - jeśli w pewnej grupie osobników, odizolowanej od reszty gatunku, proces ewolucyjny nagromadzi tak dużą ilość nowych cech, że osobniki tej grupy przestaną się krzyżować z osobnikami gatunku wyjściowego, to można uznać iż powstał gatunek nowy.
Częściej jednak obserwujemy zachodzenie mniej drastycznych zmian, pojawianie się nowych cech które jeszcze są zbyt małe aby doszło do specjacji.
Motyle z Samoa
Czynnik który wywołuje brak możliwości rozmnażania u większości osobników, jest najsilniejszym czynnikiem selekcyjnym, jaki może działać na populację. Prosta sprawa - nie masz cechy odporności, nie masz potomstwa.
W takiej właśnie sytuacji znalazły się motyle
Hypolimnas bolina nazywane też motylami błękitnego księżyca z powodu jasnych plam z opalizującą błękitną otoczką na skrzydłach męskich osobników, żyjące na dwóch samoańskich wyspach Upolu i Savaii. Gatunek ten występuje na wielu wyspach Polinezji, Australii, Nowej Zelandii, południowej Azji i wreszcie na Madagaskarze. Na tych dwóch wysepkach zaszła jednak sytuacja szczególna - na motylach zaczęła pasożytować bakteria, prawdopodobnie z rodzaju
Wolbachia. Bakteria ta może być przekazywana potomstwu zarażonych owadów poprzez jaja, nie może natomiast zakażać przez plemniki, przez co męskie osobniki są dla bakterii "ślepym zaułkiem". Bakteria maksymalizuje swe rozprzestrzenianie poprzez zabijanie jajeczek noszących męskie osobniki. Zarażona samica składa pakiet jajeczek, z których wykluwają się tylko samice.
Ten typ bakterii najwyraźniej nie występował wcześniej na wyspach, a motyle nie były na nie odporne. Pierwsze oznaki zaburzeń ilości samców zauważono już w końcówce XX wieku. Gdy w 2001 roku przeprowadzono badania populacji 99% osobników stanowiły samice. Groziło to wyginięciem gatunku w tym obszarze, bo tak niewielka liczba samców nie była w stanie "obskoczyć" wszystkich samic, i rzeczywiście liczebność motyli szybko malała. Gdy w 2006 roku przeprowadzono kolejne badanie, naukowcom nie udało się złapać ani jednego samca i choć było to badanie o mniejszym zakresie, wskazywało to iż osobniki męskie są na wyspie rzadkością.
Wobec tak wyjątkowej sytuacji ponowne badanie wykonano w następnym roku, a jego wyniki były zaskakujące - w populacji samce stanowiły 40%.
Jak łatwo się domyśleć, jeśli w którymś osobniku spontanicznie pojawiła się cecha, nadająca mu odporność na bakterię, jego potomstwo miało nad innymi motylami bardzo wyraźną przewagę. Potomkowie tego osobnika byli niemal jedynymi męskimi motylami na wyspie i dokonywali większości zapłodnień. Przekazywali swą pozytywną cechę potomkom zapłodnionych samic. W efekcie nowa cecha, która była na początku bardzo rzadka, w wyniku potężnej presji selekcyjnej stała się powszechna. Zatem proces ewolucyjny zaszedł, i to w ciągu niespełna kilkunastu miesięcy. [1] [2]
Myszy na Maderze
Warunkiem koniecznym dla nagromadzenia się dużej ilości zmian w grupie osobników, jest oddzielenie pewnej populacji od reszty gatunku. W przeciwnym razie nowe cechy byłyby "rozcieńczane" przez krzyżowanie z osobnikami bez nich. Jeśli jakaś grupa oddzieli się od populacji, wówczas dostosowuje się do zmiennych warunków na swój sposób. W ten sposób na małych wyspach powstają nowe gatunki zwierząt podobnych do tych znanych z kontynentu, analogicznie nowe gatunki ryb formują się w jeziorach odciętych od większego akwenu.
Ciekawy przypadek specjacji wywołanej zmianą warunków oraz izolacją geograficzną, możemy zauważyć na Maderze. Ta tropikalna wyspa została już w XV wieku zasiedlona przez Portugalczyków, którzy wraz ze sobą przywieźli na gapę zwykłą szarą mysz domową. Mysz ta rozprzestrzeniła się szybko na całą wyspę, dzieląc się z czasem na mniejsze populacje, oddzielone łańcuchami górskimi. Ta izolacja zarówno od myszy kontynentalnych jak i od myszy z sąsiednich populacji, wraz z dostosowaniem do klimatu różnego w różnych częściach wyspy spowodowały, że w 1999 roku stwierdzono występowanie na wyspie sześciu podgatunków, każdy zasiedlający inne terytorium:
Zewnętrznie gatunki te różnią się głównie umaszczeniem, w mniejszym stopniu sposobem żerowania, wewnętrznie natomiast różnią się dość istotnie - pierwotna szara mysz miała w swym genomie 40 chromosomów. U myszy wyspiarskich część z nich połączyła się, toteż różne populacje mają od 22 do 30 chromosomów. Różnica ilości chromosomów utrudnia krzyżowanie. W badaniach stwierdzono że myszy różnych populacji po skrzyżowaniu w 60% nie dają potomstwa, zaś u tych które dają, 70% potomków jest bezpłodne. Bariera krzyżowania się jest zatem już dosyć mocna, prawie tak silna jak u konia i osła.[3]
Podobna sytuacja dotyczyła myszy na Wyspach Owczych, które wprowadzili na archipelag Wikingowie w X wieku.
Jaszczurki jarskie
Ten przypadek jest wynikiem świadomego eksperymentu. W 1971 naukowcy wprowadzili pięć par włoskich jaszczurek murowych (
Podarcis sikula) na małą, chorwacką wysepkę, gdzie wcześniej nie występowały. Jaszczurki wzięto z dużej wyspy o częściowo pustynnym klimacie, gdzie żywiły się głównie owadami. Mała wysepka Mrcara była natomiast gęsto porośnięta bujną roślinnością.
Naukowcy zamierzali co kilka lat sprawdzać, jak jaszczurki sobie radzą, jednak wojna na Bałkanach na dłuższy czas przerwała badania. Gdy w 2006 roku naukowcy wrócili na wyspę, stwierdzili że jaszczurki mocno się zmieniły.
Na małej wyspie z ograniczoną ilością owadów, jaszczurki zaczęły uzupełniać dietę o rośliny i owoce. Konieczność dobrego przeżucia promowała osobniki o mocniejszych szczękach, przez co nieco zmienił się kształt głowy. Co jednak ważniejsze, jaszczurki zaczęły trawić rośliny przy współudziale bakterii jelitowych. Promowało to przebudowę układu trawiennego. Jelita stały się dłuższe a w jednym miejscu przewężenie wydzieliło poszerzony odcinek, w którym pokarm zalegał dłużej, mogąc fermentować.[4],[5]
Owadożerne jaszczurki w ciągu 35 lat przemieniły się we wszystkożerców z przewagą roślin.
Bakterie nylonożerne
Ten przypadek dotyczy wprawdzie organizmów niezauważalnych, jest jednak dość spektakularny.
Gdy w 1935 roku zaczęto produkować Nylon-6, w ściekach przemysłowych zaczęły się pojawiać nowe substancje, w tym powstający przez hydrolizę kaprolaktamu kwas
ε-aminokapronowy. Cząsteczka ta, zawierająca grupę aminową na końcu sześciowęglowego łańcucha kwasu karboksylowego wcześniej nie występowała w przyrodzie. Zarazem jednak jest na tyle podobna do aminokwasu lizyny, że organizmy mogą próbować ją w taki sam sposób zmetabolizować. W efekcie kwas aminokapronowy staje się inhibitorem zatrzymującym działanie pewnych enzymów, i znalazł zastosowanie w leczeniu niektórych chorób.
Gdy w 1975 roku japońscy naukowcy badali bakterie żyjące w zbiornikach ścieków przy fabrykach nylonu, że zdumieniem stwierdzili, że żyje tam szczep pospolitych bakterii
Flavobacterium , które były w stanie metabolizować kwas aminokapronowy i kilka innych produktów ubocznych. Dzikie szczepy tych samych bakterii nie miały tej cechy, zatem najwyraźniej musiała się wykształcić spontanicznie w tychże stawach jako skutek pojawienia się nowej dla środowiska substancji.
Bakterie wytwarzają trzy enzymy, nazywane nylonazami, odpowiadające za rozszczepianie krótkich fragmentów polimeru i dalsze trawienie. Prawdopodobnie ich geny powstały z innych dotychczasowych genów wskutek duplikacji i mutacji przesuwającej ramkę odczytu (mutacja powoduje, że fragment sygnalizujący koniec genu pojawia się w innym miejscu, przez co wytwarzane jest dłuższe białko), tak jak można się zresztą po ewolucji spodziewać. Spontaniczne powstanie zupełnie nowego genu jest mało prawdopodobne. Przypadek powoduje raczej złożenie czegoś nowego ze starych części, stąd w genomach organizmów można czasem znaleźć ślady starych genów, już nie aktywnych, z dawnych linii ewolucyjnych. [6]
---------
[1]
http://news.nationalgeographic.com/news/2007/07/070712-butterflies.html
[2]
http://www.sciencemag.org/content/317/5835/214
[3]
http://www.genomenewsnetwork.org/articles/04_00/island_mice.shtml
[4]
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150831101831.htm
[5]
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2290806/
[6]
https://en.wikipedia.org/wiki/Nylon-eating_bacteria
