15 pietre preţioase evoluţioniste Imprimare
Marţi, 17 Martie 2009 09:13

 

de Henry Gee, Rory Howlett si Philip Campbell*

 

Majoritatea biologilor consideră ca evidentă ideea că fiinţele vii au evoluat prin selectie naturală timp de miliarde de ani. Ei îşi văd de cercetare şi predau studenţilor discipline ancorate puternic în această fundaţie, fiind siguri pe cunoştiinţele lor care îi asigură că selecţia naturală este un fapt real, la fel de evident ca şi faptul că Pământul orbitează în jurul Soarelui.

 

Deoarece conceptele şi realităţile evoluţiei Darwiniene sunt încă contestate, deşi foarte rar de către biologi, o prezentare scurtă care să arate de ce evoluţia prin selectie naturală este un principiu validat empiric este foarte folositoare de avut la îndemână. Oferim în continuare 15 exemple publicate de Nature în ultimii aproximativ 10 ani pentru a ilustra extinderea, adâncimea şi puterea gândirii evoluţioniste. Suntem fericiţi să putem oferi această resursă gratuit şi încurajăm răspândirea ei neîngrădită.

 

* HG este redactor principal la Nature; RH este redactor consultant la Nature; PC este redactor şef la Nature


 

1 Strămoşi ai balenelor trăind pe uscat

Fosilele oferă indicii cruciale pentru evoluţie deoarece dezvăluie de multe ori forme remarcabile ale unor vieţuitoare care au dispărut demult de pe Pământ. Unele dintre ele documentează evoluţia chiar în plină acţiune, înregistrând vieţuitoarele migrând dintr-un mediu în altul. Balenele, de exemplu, sunt adaptate extraordinar pentru viaţa acvatică şi sunt aşa de milioane de ani. Dar, ca şi noi, sunt mamifere. Respiră aer şi nasc pui vii pe care-i alăptează. Dovezile sugerează că mamiferele au trăit la început pe uscat. Daca aşa stau lucrurile, atunci strămoşii balenelor au luat-o pe calea apei la un moment dat.

Din fericire, avem numeroase fosile din primii aproximativ 10 milioane de ani ai evoluţiei balenelor. Acestea includ câteva fosile ale unor vieţuitoare acvatice precum Ambulocetus şi Pakicetus, care au caracteristici acum existente doar la balene - în special în anatomia urechii - dar care au şi membre precum cele ale mamiferelor ce trăiesc pe uscat şi din care în mod clar au derivat. Practic, aceste vieţuitoare hibride erau deja balene. Ceea ce lipsea era începutul istoriei: vieţuitoarele care au trăit pe uscat şi din care balenele au evoluat.

O lucrare publicată in 2007 probabil că a identificat acel grup. Numite raoellide, aceste vieţuitoare acum dispărute ar fi arătat precum nişte câini foarte mici, deşi erau mult mai apropiate de paricopitate - grup care include vaca, oaia, cerbul, porcul şi hipopotamul. Dovezile moleculare au sugerat de asemenea că balenele şi paricopitatele împărtăşesc o conexiune evoluţionară profundă.

Studiul detaliat al lui Hans Thewissen de la Colegiul de Medicină şi Farmacie de la Universitatea Nord-Est Ohio din Rootstown şi al colegilor lui, arată că o raoellidă, Indohyus, este asemănătoare cu balenele, dar diferită de celelalte paricopitate în ceea ce priveşte structura urechilor şi a dinţilor, grosimea oaselor şi compoziţia chimică a dinţilor. Aceste indicii arată că această vieţuitoare de mărimea unui raton îşi petrecea o mare parte a timpului în apă. Insă raoellidele aveau o dietă total diferită de cea a balenelor, asta sugerând că impulsul de a lua calea apei ar fi putut fi influenţat de perspectiva unei schimbări a dietei.

Acest studiu demonstrează existenţa potenţialelor forme tranziţionale în resturile-fosile. Multe alte exemple ar fi putut fi prezentate, şi există toate motivele pentru a considera că multe altele aşteaptă să fie descoperite, mai ales în grupurile care sunt foarte bine reprezentate printre resturile-fosile.

Referinţă

Thewissen J.G.M., Cooper L.N., Clementz M.T., Bajpai S., Tiwari B.N., Nature 450, 1190-1194 (2007)

Resurse suplimentare

Thewissen J.G.M., Williams E.M., Roe L.J., Hussain S.T., Nature 413, 277-281 (2001)
de Muizon C., Nature, 413, 259-260 (2001)
Novacek M.J., Nature, 368, 807 (1994)
Zimmer C., At The Water’s Edge (Touchstone, 1999)
Material video despre munca de cercetare a lui Thewissen:
www.nature.com/nature/videoarchive/ancientwhale
Pagina web a autorului
Hans Thewissen: www.neoucom.edu/DEPTS/ANAT/Thewissen



2 Din apă pe uscat

Animalele cu care suntem cei mai obişnuiţi sunt tetrapozii - vieţuitoare vertebrate (au coloană vertebrală) care trăiesc pe uscat. Aici sunt incluşi oamenii, aproape toate animalele domestice şi majoritatea celor sălbatice pe care orice copil le poate recunoaşte: mamifere, păsări, amfibieni şi reptile. Marea majoritate a vertebratelor, însă, nu sunt tetrapode, ci peşti. De fapt, există mai multe feluri de peşti decât toate speciile de tetrapode combinate. Intr-adevăr, privind prin prisma evoluţiei, tetrapodele sunt doar o ramură a arborelui genealogic al peştilor, ai căror membri s-a întâmplat să se adapteze la viaţa pe uscat.

Prima tranziţie din apă spre uscat a avut loc cu mai bine de 360 de milioane de ani în urmă. A fost una dintre cele mai dificile manevre în întreaga istorie a vieţii. Cum au devenit aripile înotătoare ale peştilor picioare? Şi cum au reuşit vieţuitoarele tranziţionale să reziste cerinţelor formidabile ale vieţii pe uscat, de la mediul arid până la povara zdrobitoare a gravitaţiei?

S-a crezut iniţial că primii peşti au ajuns pe uscat accidental şi au evoluat începând să petreacă tot mai mult timp pe uscat, întorcându-se în apă pentru a se reproduce. In ultimii 20 de ani însă, paleontologii au dezgropat fosile care au răsturnat acest scenariu. Primele tetrapode, cum ar fi Acanthostega din estul Groenlandei de acum mai bine de 365 de milioane de ani, aveau picioare formate în întregime, cu degete, dar încă posedau branhii interne care s-ar fi uscat rapid în urma petrecerii unui timp prea îndelungat în aer liber. Peştii au evoluat picioare în mediul acvatic, mai primitor, cu mult timp înainte de a ieşi pe uscat. Părăsirea propriu-zisă a mediului acvatic se pare că a fost ultima etapă a procesului evolutiv.

Cercetătorii suspectează că stramoşii tetrapodelor au fost niste vieţuitoare numite elpistostegide. Aceşti peşti foarte mari, carnivori, trăiau în ape puţin adânci şi ar fi arătat şi s-ar fi comportat precum aligatorii sau salamandrele gigante. Arătau precum tetrapodele din multe puncte de vedere, dar încă aveau membre înotătoare. Până de curând, elpistostegidele erau cunoscute doar din fragmente mici de fosile, nu foarte bine conservate, de accea a fost greu de obţinut o imagine completă despre cum arătau.

In ultimii câţiva ani, mai multe descoperiri din Insula Ellesmere în regiunea Nunavut din nordul Canadei au schimbat situaţia. In 2006, Edward Daeschler şi colegii lui au descris fosila unui elpis- tostegid extrem de bine conservat, cunoscut sub numele de Tiktaalik, care ne permite să construim o imagine destul de bună a unui prădător acvatic cu asemănări clare cu tetrapozii - de la gâtul flexibil, la structura înotătoarelor atât de apropiată de cea a membrelor. Descoperirea şi analiza minuţioasă a Tiktaalik-ului aruncă lumină asupra etapei de dinaintea evoluţiei tetrapodelor, şi arată cum resturile-fosile sunt capabile de adevărate surprize, chiar dacă perfect compatibile cu gândirea evoluţionistă.

Referinţe

Daeschler E.B., Shubin N.H., Jenkins F.A., Nature 440, 757-763 (2006)

Shubin N.H., Daeschler E.B., Jenkins F.A., Nature 440, 764-771 (2006)

Resurse suplimentare

Ahlberg P.E., Clack J.A., Nature 440, 747-749 (2006)
Clack J., Gaining Ground (Indiana Univ. Press, 2002)
Shubin N., Your Inner Fish (Allen Lane, 2008)
Gee H., Deep Time (Fourth Estate, 2000)
Pagina web Tiktaalik
http://tiktaalik.uchicago.edu
Pagini web ale autorilor
Edward Daeschler: http://www.ansp.org/research/biodiv/vert paleo/staff.php
Neil Shubin: http://pondside.uchicago.edu/oba/faculty/shubin n.html


 

3 Originea penelor

Una dintre obiecţiile la teoria evoluţiei a lui Charles Darwin a fost lipsa ”formelor tranziţionale” în resturile fosile - forme care să ilustreze evoluţia în acţiune, de la un grup major de animale la altul. Dar, la mai puţin de un an de la publicarea cărţii ”Despre originea speciilor”, o pană datând din Jurassic-ul târziu a fost descoperită în calcarele litografice de la Solnhofen în Bavaria, urmată în 1861 de prima fosilă de Archaeopteryx, o vieţuitoare cu multe caracteristici primitive, reptiliene, cum ar fi dinţii şi coadă lungă şi osoasă - dar şi cu aripi şi pene adaptate pentru zbor, precum păsările.

Chiar dacă acum Archaeopteryx este considerată ca fiind prima pasăre cunoscută, mulţi au suspectat că ar putea fi mai curând văzută ca un dinozaur, unul cu pene. Thomas Henry Huxley, colegul şi prietenul lui Darwin, a discutat posibila legătură evoluţionistă dintre dinozauri şi păsări, iar paleontologii au speculat fantezist că într-o zi efectiv dinozauri cu pene ar putea fi găsiţi. In anii ’80 depozite datând din perioada Cretacicului timpuriu (aproximativ 125 de milioane de ani în urmă) din provincia Liaoning din nordul Chinei au confirmat aceste speculaţii într-un mod extrem de dramatic, cu descoperiri de numeroase păsări primitive - alături de dinozauri cu pene.

Incepând cu descoperirea micului theropod Sinosauropteryx de către Pei-ji Chen şi colegii săi de la Institutul de Geologie şi Paleontologie din Nanjing, China, o varietate de forme acoperite cu pene au fost găsite. Mulţi dintre acesţi dinozauri cu pene practic nu ar fi avut cum să zboare, ceea ce arată că penele au evoluat la început din alte motive decât pentru zbor, probabil pentru etalare sexuală sau izolaţie termică, de exemplu. In 2008, Fucheng Zhang şi colegii săi de la Academia Chineză de Ştiinţe din Beijing au anunţat descoperirea lui Epidexipteryx, un dinozaur mic acoperit cu un penaj fin, şi care avea patru pene lungi în coadă. Paleontologii incep acum să creadă că speculaţiile lor nu au fost chiar atât de fanteziste şi penele au fost chiar destul de comune la dinozauri. Descoperirea dinozaurilor cu pene nu numai că a confirmat ideea formelor tranziţionale, dar a arătat de asemenea că evoluţia are modalităţile ei de a găsi o varietate ameţitoare de soluţii la probleme despre care nici nu ştiam că există. Zborul ar fi putut să fie nimic altceva decat o nouă oportunitate oferită vieţuitoarelor care erau deja acoperite cu pene.

Referinţe

Chen P.-J., Dong Z.-M., Zhen S.-N, Nature 391, 147-152 (1998)

Zhang F., Zhou Z., Xu X., Wang X., Sullivan C., Nature 455, 1105-1108 (2008)

Resurse suplimentare

Gee H., (ed.) Rise of the Dragon (Univ. Chicago Press, 2001)
Chiappe L., Glorified Dinosaurs (Wiley-Liss, 2007)
Gee H., Rey L.V., A Field Guide to Dinosaurs (Barron’s Educational, 2003)


 

4 Istoria evoluţionistă a dinţilor

Unul dintre motivele pentru studiul dezvoltării este descoperirea mecanismelor care ghidează schimbările evoluţioniste. Kathryn Kavanagh de la Universitatea din Helsinki şi colegii săi au investigat asta studiind mecanismele care generează mărimea relativă şi numărul dinţilor molari la şoareci. Studiul, publicat in 2007, a revelat schema expresiei genelor care guvernează dezvoltarea dinţilor - molarii cresc din partea frontală a maxilarului spre spate, fiecare dinte mai mic decât precedentul.

Frumuseţea studiului stă în aplicaţiile lui. Modelul prezice schema dentiţiei la rozatoare cu dietă diferită, oferind un exemplu de evoluţie ghidată ecologic de-a lungul unei traiectorii favorizată dezvoltaţional. La modul general, lucrarea arată cum schema expresiei genelor poate fi modificată în timpul evoluţiei pentru a produce modificări adaptive în sistemele naturale.

Referinţă

Kavanagh K.D., Evans A.R., Jernvall J., Nature 449, 427-432 (2007)

Resurse suplimentare

Polly P.D., Nature 449, 413-415 (2007)
Evans A.R., Wilson G.P., Fortelius M., Jernvall J., Nature 445, 78-81 (2006)
Kangas A.T., Evans A.R., Thesleff I., Jernvall J., Nature 432, 211-214 (2004)
Jernvall J., Fortelius M., Nature 417, 538-540 (2002)
Theodor J.M., Nature 417, 498-499 (2002)

Pagina web a autorului

Jukka Jernvall: http://www.biocenter.helsinki.fi/bi/evodevo


 

5 Originea scheletului vertebratelor

Ii datorăm mult din ceea ce ne face oameni unui ţesut remarcabil, care se găseşte doar în embrioni, numit crest neural. Celulele crestului neural au un rol în dezvoltarea măduvei spinării şi migrează în tot corpul generând o extraordinară serie de transformări. Fără crestul neural nu am fi avut majoritatea oaselor feţei şi gâtului, sau multe dintre caracteristicile pielii şi ale organelor senzoriale. Crestul neural pare să fie unic vertebratelor, şi asta ajută în a explica de ce vertebratele au ”capete” şi ”feţe” distinctive.

Descifrarea istoriei evoluţioniste a crestului neural este în particular dificilă în cazul formelor fosile, căci datele embrionice sunt evident absente. Unul dintre misterele cheie, de exemplu, este ce proporţie din craniul vertebratelor este datorat celulelor crestului neural şi cât celulelor din straturile mai adânci ale ţesuturilor.

Noi tehnici au permis cercetătorilor să eticheteze şi urmărească celule individuale pe măsură ce embrionul se dezvoltă. Astfel ei au revelat graniţele oaselor derivate din crestul neural, până la nivelul unei singure celule, în gât şi umeri. ţ esutul derivat din crestul neural ancorează capul în centura scapulară, în timp ce scheletul ce formează partea din spate a gâtului şi umărului creşte dintr-un strat mai adânc al ţesutului numit mezoderm. Astfel de sondări detaliate, în animale contemporane, aruncă lumină asupra evoluţiei structurilor din cap şi gât ale animalelor demult dispărute, chiar fără a avea la indemână ţesut moale fosilizat cum ar fi piele şi muşchi.

Similarităţile scheletale care rezultă în urma unei istorii evoluţioniste comune pot fi identificate din ataşamentele musculare. Aceasta a permis, de exemplu, urmărirea localizării cleithrum-ului, osul principal al umărului strămoşului dispărut al vertebratelor de pe uscat. Acest os se pare că a supravieţuit ca parte a omoplatului animalelor de azi. Astfel de investigaţii evoluţioniste pot avea relevantă clinică directă. Părţile de schelet identi- ficate de Toshiyuki Matsuoka de la Institutul Wolfson pentru Cercetări Biomedicale din Londra şi colegii săi ca fiind derivate din crestul neural sunt afectate în mod particular în mai multe boli de dezvoltare anormală la oameni, oferind astfel informaţii importante despre originea acestora. Studiul arată cum o analiză detaliată a morfologiei animalelor contemporane, bazată pe gândirea evoluţionistă, ajută cercetătorii să interpreteze forme fosilizate, acum dispărute.

Referinţă

Matsuoka T. et al., Nature 436, 347-355 (2005)

Pagina web a autorului

Georky Koentges: http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/systemsbiolog

 


 

6 Selecţia naturală în speciaţie

Teoria evoluţiei prezice că selecţia naturală divergentă are de multe ori un rol cheie în speciaţie.

Lucrând cu o specie de peşti numită Gasterosteus aculeatus, Jeffrey McKinnon de la Universitatea din Wisconsin înWhitewater şi colegii săi au raportat în 2004 că izolarea reproductivă poate evolua ca un produs al selecţiei bazate pe mărimea corpului. Lucrarea oferă o legătură între procesul formării izolării reproductive şi divergenţa unui caracter biologic important din punct de vedere ecologic.

Studiul a fost făcut la o scară geografică extraordinară, cuprinzând teste de împerechere între peşti din Alaska, Columbia Britanică, Islanda, Marea Britanie, Norvegia şi Japonia. Lucrarea a fost susţinută de analize de genetică moleculară care au oferit dovezi clare că peştii care s-au adaptat la viaţa în râuri au evoluat în mod repetat din strămoşi marini, sau din peşti care trăiesc in ocean dar se întorc în ape dulci pentru a se reproduce. Membrii acestor populaţii migratoare au avut în studiu în medie corpuri mai mari decât cei care trăiau în râuri. Peştii au avut tendinţa să se împerecheze cu indivizi de mărimi similare, ceea ce explică izolarea reproductivă dintre diferitele ecotipuri din râu şi vecinii lor înrudiţi veniţi din mare.

Luând în considerare relaţiile evoluţioniste, o comparaţie între diferitele tipuri de Gasterosteus, fie de râuri sau marine, suportă cu tărie viziunea conform căreia adaptarea la medii diferite aduce după sine izolarea reproductivă. Experimentul cercetătorilor a confirmat de asemenea conexiunea dintre divergenţa de mărime şi formarea izolării reproductive - deşi pe lângă mărime şi alte caractere biologice contribuie în oarecare măsură la izolarea reproductivă.

Referinţă

McKinnon J.S. et al., Nature 429, 294-298 (2004)

Resurse suplimentare
Gillespie R.G., Emerson B.V., Nature 446, 386-387 (2007)
Hocher T.D., Nature 435, 29-30 (2005)
Emerson B.C., Kolm N., Nature 434, 1015-1017 (2005)
Pagini web ale autorilor
Jeffrey McKinnon: http://facstaff.uww.edu/mckinnoj/mckinnon.html
David Kingsley: http://kingsley.stanford.edu
Dolph Schluter: http://www.zoology.ubc.ca/schluter


 

7 Selecţia naturală la şopârle

O ipoteză evoluţionistă populară este că schimbările comportamentale în mediile noi anulează efec- tele selecţiei naturale. Dar lucrarea din 2003 a lui Jonathan Losos de la Universitatea din Harvard şi a colegilor săi aduce puţin suport acestei teorii. Cercetătorii au introdus şopârla prădătoare de mărimi considerabile Leiocephalus carinatus în şase insule mici din Bahamas, alte şase insule fiind pe post de control. Ei au observat că prada şopârlelor, o şopârlă mai mică numită Anolis sagrei, petrecea mai mult timp în vegetaţia înaltă pe insulele ocupate de prădătorii mari decât pe insulele în care L. carinatus erau absente. Dar mortalitatea în rândul A. sagrei era mai mare pe insulele pe care se desfăşura experimentul decât pe cele de control.

Prezenţa prădătorului de dimensiuni mari a condus la selecţia şopârlelor mascul A. sagrei cu picioare mai lungi, care puteau alerga mai repede, şi de asemenea a favorizat femelele mai mari, care sunt mai rapide şi mai greu de răpus şi mâncat. Cercetătorii nu au depistat o selecţie bazată pe mărime la masculi şi au sugerat că masculii mai mari ar fi putut fi mai vulnerabili din cauza comportamentului lor teritorial exhibiţionist.

Studiul arată cum introducerea unui prădător în mediu poate determina indivizii unei specii pradă să-şi schimbe comportamentul pentru a reduce riscurile de a fi prinşi, dar poate determina de asemenea un răspuns evoluţionist la nivel de populaţie care este diferit între sexe în concordanţă cu ecologia lor.

Referinţă

Losos J.B., Schoener T.W., Spiller D.A., Nature 432, 505-508 (2004)

Resurse suplimentare
Butler M.A., Sawyer S.A., Losos J.B., Nature 447, 202-205 (2007)
Kolbe J.J. et al., Nature 431, 177-181 (2004)
Calsbeek R., Smith T.B., Nature 426, 552-555 (2003)
Losos J.B. et al., Nature 424, 542-545 (2003)
Pagina web a autorului
Jonathan Losos: http://www.oeb.harvard.edu/faculty/losos/jblosos


 

8 Un caz de co-evoluţie

Speciile evoluează împreună, şi în competiţie. Prădătorii dezvoltă arme şi talente tot mai mortale pentru a prinde prada, care, ca un rezultat al ”luptei pentru existenţă” Darwiniene devine tot mai bună în a le eluda, şi tot aşa cursa continuă. In 1973 biologul evoluţionist Leigh van Valen a comparat asta cu comentariul Reginei Roşii către Alice in ”Alice în lumea oglinzii” de Lewis Carroll, ”trebuie să alergi cât de repede poţi ca să rămai în acelaşi loc. Dacă vrei să ajungi în altă parte, trebuie să alergi cel puţin de două ori mai repede!”. Astfel s-a născut ipoteza ”Regina Roşie” a co-evoluţiei.

O problemă cu studiul dinamicii de tipul Regina Roşie este că poate fi observată doar în pre- zentul etern. A-i descoperi istoria este problematic, căci evoluţia în general a distrus toate stagiile anterioare.

Din fericire, Ellen Decaestecker de la Universitatea Catolică din Leuven, Belgia şi colegii ei au decoperit o exceptie remarcabilă, în cursa co-evoluţionistă dintre puricii de apă (Daphnia) şi paraziţii microscopici care îi infestează; rezultatele lor au fost publicate în 2007. Pe măsură ce puricii de apă devin mai buni în a evita parazitarea, paraziţii devin mai buni în a-i infecta. Atât prada cât şi prădătorul în acest sistem pot rezista în stare dormantă pentru mulţi ani în noroiul de pe fundul lacului pe care-l împart. Aceste sedimente pot fi datate cu precizie, pană la anul exact în care au fost formate, şi prada şi prădătorii îngropaţi pot fi resuscitaţi. Astfel că interacţiunile lor pot fi testate, atât intre ei, cât şi cu interacţiunile pradă-prădător din trecutul şi viitorul relativ.

Confirmând aşteptările teoretice, paraziţii s-au adaptat gazdelor lor într-o perioadă de doar câţiva ani. Potenţialul lor de infectare s-a schimbat foarte puţin, dar virulenţa şi capacitatea de a da urmaşi viabili au crescut în mod constant - contracarate la fiecare etapă de abilitatea puricilor de apă de a le rezista.

Acest studiu oferă un exemplu elegant în care o înregistrare istorică de înaltă rezoluţie a procesului co-evoluţionar produce o confirmare a teoriei evoluţiei, arătând că interacţiunea dintre paraziţi şi gazdele lor nu este statică ci rezultatul unei competiţii strânse de adaptare şi contra-adaptare, ghidată de selecţia naturală, de la generaţie la generaţie.

Referinţă

Decaestecker E. et al., Nature 450, 870-873 (2007)

Resurse suplimentare
Ipoteza Regina Roşie: http://en.wikipedia.org/wiki/Red Queen
van Valen L., Evol. Theory 1, 1-30 (1973)
Pagina web a autorului
Ellen Decaestecker: http://bio.kuleuven.be/de/dea/people detail.php?pass id=u0003403

 

 


 

 

9 Dispersie diferenţială la păsările sălbatice

Fluxul genetic determinat, de exemplu, de migraţie, poate întrerupe adaptarea la condiţiile locale şi acţiona împotriva diferenţierii evoluţioniste în şi între populaţii. Intr-adevăr, teoria clasică a geneticii populaţiilor sugerează că cu cât populaţiile locale migrează şi hibridizează mai mult, cu atât vor fi mai asemănătoare din punct de vedere genetic. Acest concept pare să fie în acord cu bunul simţ, şi împlică că fluxul genetic este un proces aleator, precum difuzia. Dar dispersii ne-aleatoare pot în fapt favoriza adaptări locale şi diferenţieri evoluţioniste, au arătat Ben Sheldon de la Insitutul de Ornitologie Edward Grey din Oxford, Marea Britanie şi colegii săi în 2005.

Lucrarea lor a fost parte dintr-un studiu de mai multe zeci de ani a unei specii de piţigoi (Parus major) care trăieşte în pădurile din Oxfordshire, Marea Britanie. Cercetătorii au observat că nivelul şi tipul de variaţie genetică în greutatea puilor diferă în parţi diferite ale pădurii. Această situaţie a condus la răspunsuri diferite la selecţie în zone diverse ale pădurii, ceea ce a rezultat în adaptare locală. Efectul este întărit de dispersia non-aleatoare; indivizii selectează şi se împerechează în habitate diferite într-un mod care le creşte capacitatea de a da urmaşi viabili. Autorii au concluzionat că ”atunci când fluxul genetic nu este omogen, diferenţierea evoluţionistă poate fi rapidă şi poate avea loc la o scara spaţială surprinzător de mică”.

Intr-un alt studiu al aceleiaşi specii de piţigoi din insula Vlieland in Olanda, publicat în acelaşi număr al revistei Nature, Erik Postma şi Arie van Noordwijk de la Institutul Olandez de Ecologie din Heteren au arătat ca fluxul genetic, mediat de dispersia non-aleatoare, menţine o diferenţă genetică mare în numărul de ouă depuse, la o scară spaţială mică, ilustrând din nou, aşa cum evidenţiază aceşti cercetători, ”efectul semnificativ al migrării asupra evoluţiei adaptărilor locale şi asupra structurii populaţiei genetice”.

Referinţe

Garant D., Kruuk L.E.B., Wilkin T.A., McCleery R.H., Sheldon B.C., Nature 433, 60-65 (2005)

Postma E., van Noordwijk A.J., Nature 433, 65-68 (2005)

Resurse suplimentare
Coltman D.W., Nature 433, 23-24 (2005)
Pagini web ale autorilor
Ben Sheldon: http://www.zoo.ox.ac.uk/egi/people/faculty/ben sheldon.html
Erik Postma: http://www.nioo.knaw.nl/ppages/epostma
Arie van Noordwijk: http://www.nioo.knaw.nl/PPAGES/avannoordwijk
David Coltman: http://www.biology.ualberta.ca/faculty/david coltman

 


 

10 Supravieţuire selectivă la peştii Guppy sălbatici

Selecţia naturală favorizează caracteristicile care îmbunătăţesc capacitatea de a da urmaşi viabili. In timp, ne-am putea aştepta ca o astfel de selecţie să satureze variaţia genetică prin fixarea variaţiilor genetice avantajoase în dauna celor dăunătoare. De fapt, populaţiile naturale suportă de multe ori variaţii genetice semnificative. Prin urmare, cum sunt acestea menţinute?

Un exemplu este polimorfismul genetic observatîn structura culorilor la masculii Guppy (Poecilia reticulata). Kimberly Hughes de la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign şi colegii ei au manipulat frecvenţa masculilor cu diferite structuri de culoare la trei populaţii de Guppy sălbatici în Trinidad. Astfel au arătat că variantele rare au o rată de supravieţuire mult mai mare decât cele comune.

O astfel de supravieţuire dependentă de frecvenţă, în care selecţia favorizeaza tipurile rare, este implicată în mentinerea polimorfismului molecular, morfologic şi al celui legat de sănătate la oameni şi alte mamifere.

Referinţă

Olendorf R. et al., Nature 441, 633-636 (2006)

Resurse suplimentare

Foerster K. et al., Nature 447, 1107-1110 (2007)
Pagini web ale autorilor
Kimberly Hughes: http://www.bio.fsu.edu/faculty-hughes.php
Anne Houde: http://www.lakeforest.edu/academics/faculty/houde
David Reznick: http://www.biology.ucr.edu/people/faculty/Reznick.html


 

11 Istoria evoluţionistă contează

Se consideră de multe ori că evoluţia inseamnă a găsi soluţii optime la problemele pe care viaţa le pune. Dar selecţia naturală funcţionează cu materialele la îndemână - materiale care la rândul lor sunt rezultatul a multor milioane de ani de istorie evoluţionistă. Nu porneşte niciodata de la zero.

Dacă aşa ar fi stat lucrurile, atunci tetrapodele puse in situaţia de a fi nevoite să se mişte pe uscat nu şi-ar fi transformat înotătoarele în picioare; probabil ar fi dezvoltat roţi.

Un caz real de creativitate în adaptare este cel al morenei (Muraena retifera), un prădător lung, asemănător unui şarpe, ce traieşte în recifuri de corali. In mod normal, peştii osoşi folosesc sugerea pentru a prinde prada. Peştele când se apropie de hrană deschide gura larg pentru a creea astfel o cavitate largă pe care prada şi apa o inundă. In timp ce excesul de apă este eliminat prin branhii, peştele suge prada prin gât şi fălcile faringeale, un al doilea set de fălci şi dinţi derivat din scheletul care suportă branhiile. Dar morenele au o mare problemă din cauza formei lor alungite şi înguste.

Chiar şi cu fălcile larg deschise, cavitatea lor bucală este prea mică pentru a genera sugerea necesară purtării prăzii înspre fălcile faringeale. Soluţia la această problemă a fost documentată în 2007.

Prin observaţii susţinute şi cinematografie cu raze X, Rita Mehta şi Peter Wainwright de la Universitatea din California, Davis, au descoperit soluţia uimitoare oferită de evoluţie. In loc ca prada să se deplaseze către fălcile faringeale, acestea se extind înainte în cavitatea bucală, prind prada şi o trag înapoi. Acesta, spun cercetatorii, este primul caz în care o vertebrată foloseşte un al doilea set de fălci atât pentru a prinde cât şi pentru a transporta prada, şi este singura alternativă cunoscută la transportul hidraulic al prăzii aşa cum este întâlnit la majoritatea peştilor osoşi - o inovaţie majoră care probabil a contribuit la succesul morenei ca prădător.

Mecanismul fălcilor faringeale al morenelor este asemănător cu mecanismul folosit de şerpi - alte vietuitoare lungi, subţiri şi prădătoare. Avem de a face cu un caz de convergenţă, un fenomen evoluţionar în care vieţuitoare îndepărtat înrudite dezvoltă soluţii similare la probleme comune. Studiul demonstrează natura contingentă a evoluţiei; ca şi proces, nu îşi permite luxul de a ”porni de la zero”.

Referinţă

Mehta R.S., Wainwright P.C., Nature 449, 79-82 (2007)

Resurse suplimentare
Westneat M.W., Nature 449, 33-34 (2007)
Paginile web ale autorilor
Rita Mehta: http://www.eve.ucdavis.edu/wainwrightlab/rsmehta/index.html
Peter Wainwright: http://www.eve.ucdavis.edu/wainwrightlab


 

12 Cintezele lui Darwin din Galapagos


Când Charles Darwin a vizitat Insulele Galapagos, a observat prezenţa mai multor specii de cinteză care arătau foarte asemănător cu excepţia ciocului. Unele aveau ciocuri adânci şi late, altele lungi şi ascuţite, ori subţiri şi ascuţite, reflectând diferenţe în dietă. Darwin a speculat că toate cintezele au un strămoş comun şi că au imigrat în insule. Rude apropiate ale cintezelor din Galapagos se întâlnesc pe teritoriul Americii de Sud, şi cazul cintezelor lui Darwin a devenit mai târziu exemplul clasic despre cum selecţia naturală a condus la evoluţia dintr-o specie veche comună a unor varietăţi de forme adaptate la diferite nişe ecologice. Această idee a fost numită ”radiaţie adaptivă” şi de atunci a fost susţinută de date care arată că până şi cele mai mici diferenţe în adâncimea, lăţimea ori lungimea ciocului pot avea consecinţe majore pentru capacitatea generală a păsărilor de a da urmaşi viabili.

Pentru a afla ce mecanism genetic este responsabil pentru schimbările în forma ciocului, Arhat Abzhanov de la Universitatea din Harvard şi colegii săi au examinat numeroase gene care sunt activate în ciocul în dezvoltare al puilor de cinteză; studiul lor a fost publicat în 2006. Cercetătorii au descoperit că diferenţele în formă coincid cu nivele diferite de activitate ale genei ce produce calmodulinul, o moleculă implicată în transmiterea de informaţii folosind calciul, cu rol vital în multe aspecte ale dezvoltării şi metabolismului. Calmodulinul este secretat în cantitate mai mare în ciocurile lungi şi ascuţite ale cintezelor de cactus decât în ciocurile mai robuste ale altor specii.

Amplificarea artificială a secreţiei de calmodulin în ţesuturile embrionice care dau naştere ciocului a determinat alungirea ciocului superior, asemănător cu ce se observă la cintezele de cactus. Rezultatele arată că cel puţin unele dintre variaţiile de formă ale ciocului la cintezele lui Darwin sunt probabil legate de modificări ale activităţii calmodulinului, ceea ce la modul mai general, implică calmodulinul în dezvoltarea structurilor scheletului craniofacial.

Studiul arată cum biologiimerg mai departe decât simpla documentare a modificărilor evoluţioniste în incercarea de a identifica mecanismele moleculare responsabile.

Referinţă

Abzhanov A. et al., Nature 442, 563-567 (2006)

Paginile web ale autorilor
Clifford Tabin: http://www.hms.harvard.edu/dms/bbs/fac/tabin.html
Peter Grant: http://www.eeb.princeton.edu/FACULTY/Grant P/grantPeter.html



13 Microevoluţia întâlneste macroevoluţia

Darwin şi-a imaginat că schimbările evoluţioniste au loc în paşi infinitezimali. El i-a numit gradaţii imperceptibile care, extrapolate pe perioade de timp lungi, ar rezulta în schimbărimajore de formă şi funcţie. Există un munte de evidenţe pentru astfel de mici schimbări, numite microevoluţie - evoluţia rezistenţei la medicamente, de exemplu, este doar unul dintre multele exemple documentate.

Din studiul resturilor fosile se poate concluziona că schimbări majore, dintr-o specie într-alta, sau macroevoluţia, de asemenea are loc, dar este mult mai greu de observat în acţiune. Acestea fiind spuse, mecanismele macroevoluţiei se pot observa în zilele noastre, în arhitectura genelor. Câteodată, genele implicate in viaţa de zi cu zi a organismelor sunt conectate cu, sau sunt chiar identice, cele care guvernează caracteristicimajore ale formei ori dezvoltării animalului. Prin urmare evoluţia cotidiană poate avea efecte foarte mari.

Sean Carroll de la Institutul Medical Howard Hughes din Chevy Chase, Maryland, şi colegii săi au studiat un mecanism molecular care contribuie la apariţia unei pete în plus pe aripile musculiţelor masculi din specia Drosophila biarmipes; rezultatele au fost raportate în 2005. Cercetătorii au arătat că evoluţia acestei pete este legată de modificarea unui vechi element regulator al unei gene implicate în pigmentaţie. Acest element regulator a dobândit în timp zone de legătură cu factori de transcriere care sunt vechi componente ale dezvoltării aripilor. Unul dintre factorii de transcriere care este conectat în mod specific la elementul regulator al genei galbene este codificat de engrailed, o genă fundamentală pentru dezvoltare în general.

Asta arată că o genă implicată într-un anumit proces poate fi cooptată pentru un altul, în principiu conducând la schimbări macroevoluţioniste.

Referinţă

Gompel N., Prud’homme B., Wittkopp P.J., Kassner V.A., Carroll S.B., Nature 433, 481-487 (2005)

Resurse suplimentare

Hendry A.P., Nature 451, 779-780 (2008)

Prud’homme B. et al., Nature 440, 1050-1053 (2006)

Pagina web a autorului

Sean Carroll: http://www.hhmi.org/research/investigators/carroll bio.html

 

 


 

14 Rezistenţa la toxine la şerpi şi scoici

Biologii înţeleg pe zi ce trece tot mai bine mecanismele moleculare care se află în spatele modi- ficărilor evoluţioniste adaptive. In unele populaţii de triton Taricha granulosa, de exemplu, indivi- zii acumulează în piele o otravă numită tetrodotoxină care acţionează pe sistemul nervos, aparent ca un mijloc de apărare împotriva şerpilor Thamnophis sirtalis. Aceşti şerpi care se hrănesc cu tritoni au dezvoltat rezistenţă la toxină. Printr-o muncă susţinută, Shana Geffeney de la Şcoala de Medicină din Stanford, California şi colegii ei au descoperit mecanismul responsabil pentru asta; studiul lor a fost publicat în 2005.

Variaţiile în nivelul de rezistenţă al şerpilor la prada lor, tritonii, poate fi urmărită până la schimbările moleculare care afectează legătura tetrodotoxinei cu un canal particular al sodiului. O selecţie similară a rezistenţei la toxină are loc se pare şi la scoicile Mya arenaria din zonele coastelor nord americane ale Atlanticului, informează Monica Bricelj de la Institutul de Bioştiinte Marine din Noua Scoţie, Canada, şi colegii ei în acelaşi număr Nature. Algele care produc ”mareele roşii” generează saxitoxina - cauza otrăvirii paralitice cu scoici la oameni. Scoicile sunt expuse toxinei când ingerează algele. Cele din zone în care mareele roşii se produc în mod constant sunt relativ rezistente la toxină şi o acumulează în ţesuturile lor. Scoicile din zone neafectate nu au dezvoltat o asemenea rezistenţă.

Rezistenţa la toxină a populaţiilor expuse este corelată cu o singură mutaţie în gena care codifică un canal al sodiului, într-o locaţie deja implicată în legătura cu saxitoxina. De aceea pare foarte probabil că saxitoxina se manifestă ca un potenţial agent selectiv la scoici şi conduce la adaptări genetice.

Aceste doua studii arată cum presiuni selective asemănătoare pot conduce la răspunsuri adaptive similare chiar la organisme foarte diferite.

Referinţe

Geffeney S.L., Fujimoto E., Brodie E.D., Brodie E.D.Jr, Ruben P.C., Nature 434, 759-763 (2005)

Bricelj V.M. et al., Nature 434, 763-767 (2005)

Resurse suplimentare
Mitchell-Olds T., Schmitt J., Nature 441, 947-952 (2006)
Bradshaw H.D., Schemske D.W., Nature 426, 176-178 (2003)
Coltman D.W., O’Donoghue P., Jorgenson J.T., Hogg J.T., Strobek C., Festa-Bianchet M., Nature 426, 655-658 (2003)
Harper Jr G.R., Pfennig D.W., Nature 451, 1103-1106 (2008)
Ellegren H., Sheldon B., Nature 452, 169-175 (2008)
Paginile web ale autorilor
Shana Geffeney: http://wormsense.stanford.edu/people.html
Monica Bricelj: http://marine.biology.dal.ca/Faculty Members/Bricelj, Monica.php


 

15 Variaţia împotriva stabilităţii

Speciile pot rămâne aproape neschimbate timp de milioane de ani, timp destul de lung pentru a ne permite să le găsim urmele în resturile fosile. Dar de asemenea ele se pot schimba, şi deseori chiar foarte rapid. Aceasta a condus la întrebarea dacă speciile - mai ales cele care se dezvoltă pe anumite trasee bine stabilite - păstrează în stare latentă potenţialul pentru schimbări rapide, şi elibereaza un potop de variaţii bruşte atunci când există condiţii de stres în mediu - variaţii asupra cărora selecţia poate acţiona.

Această idee a ”capacităţii evoluţioniste” a fost prima dată propusă de Suzanne Rutherford şi Susan Lindquist în experimente excepţionale pe musculiţe. Ideea lor a fost că proteinele cheie implicate în reglarea proceselor de dezvoltare sunt controlate de o proteină numită Hsp90 care este produsă în cantităţi mai mari în momentele de stres. Uneori Hsp90 este afectată de alte procese şi proteinele pe care în mod normal le controlează sunt lăsate libere, producând o sumedenie de variaţii care altfel ar fi rămas ascunse.

Aviv Bergman de la Colegiul de Medicină Albert Einstein din New York şi Mark Siegal de la Universitatea din New York au încercat să răspundă la întrebarea dacă capacitatea evoluţionistă este particulară proteinei Hsp90 sau este ceva mai general; studiul lor a fost publicat în 2003. Ei au folosit simulări numerice ale retelelor complexe de gene şi date ale genomului unor tulpine de drojdie din care gene individuale au fost şterse. Astfel au arătat că majoritatea genelor, şi probabil toate, păstrează variaţiile în rezervă şi le eliberează doar când sunt compromise funcţional. Cu alte cuvinte, se pare că această capacitate evoluţionistă merge mai departe şi mai adânc decât doar cazul Hsp90.

Referinţă

Bergman A, Siegal M.L., Nature 424, 549-552 (2003)

Resurse suplimentare
Stearns S.C., Nature 424, 501-504 (2003)
Rutherford S.L., Lindquist S., Nature 396, 336-342 (1998)
Pagini web ale autorilor
Mark Siegal: http://www.nyu.edu/fas/biology/faculty/siegal/index.html
Aviv Bergman: http://www.bergmanlab.org
Susan Lindquist: http://www.wi.mit.edu/research/faculty/lindquist.html
Suzanne Rutherford: http://depts.washington.edu/mcb/facultyinfo.php?id=142
Stephen Stearns: http://www.yale.edu/eeb/stearns