Polacy ustalili jak działa ewolucja. Nie może uniknąć katastrofy

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego uczestniczyli w międzynarodowym eksperymencie, który wykazał, że natura potrafi dostosowywać się szybciej, niż wcześniej sądzono, choć nie zawsze na tyle szybko, by zapobiec katastrofie.
Badanie z udziałem rzodkiewnika pospolitego pokazało, że ewolucyjne zmiany genetyczne mogą zachodzić w ciągu kilku pokoleń i często są kierunkowe, zwłaszcza w odpowiedzi na podobne warunki klimatyczne.
Wyniki eksperymentu wskazują, że choć tempo ewolucji roślin może być wysokie, istnieją krytyczne granice zmian klimatycznych, po przekroczeniu których nawet szybka adaptacja nie wystarcza do przetrwania populacji.
Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie

Polscy naukowcy brali udział w przełomowych badaniach nad ewolucją i zmianami klimatycznymi. Projekt realizowany w ramach międzynarodowej sieci GrENE-net miał sprawdzić, czy organizmy żywe są w stanie przystosować się do gwałtownie zmieniających się warunków środowiskowych. W eksperymencie wykorzystano rzodkiewnik pospolity, jedną z najlepiej poznanych roślin na świecie. Badanie objęło tysiące próbek, dziesiątki lokalizacji i kilka lat obserwacji, dostarczając bezprecedensowych danych o tym, jak ewolucja działa w czasie rzeczywistym.

Misja rzodkiewnik. Naukowcy chcieli „przyłapać” ewolucję na gorącym uczynku

Ewolucja zazwyczaj kojarzy się z procesem rozciągniętym na setki lub tysiące lat. Z tego powodu niezwykle trudno jest obserwować ją bezpośrednio. Właśnie dlatego badacze postanowili stworzyć wyjątkowy projekt, który pozwoliłby śledzić zmiany genetyczne zachodzące niemal na żywo.

Jak wyjaśnił w rozmowie z portalem Serwis Naukowy UW dr hab. Maciej Wódkiewicz z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, celem było sprawdzenie, czy ewolucja może pomóc gatunkom przetrwać w świecie coraz szybciej zmieniającego się klimatu. Naukowcy chcieli również ustalić, czy proces przystosowywania przebiega w sposób przewidywalny, czy raczej zależy od przypadku.

Projekt GrENE-net rozpoczął się w 2015 r., a pierwsze rośliny wysiano dwa lata później. W ciągu kolejnych lat badacze zbierali dane dotyczące wzrostu, przeżywalności i zmian genetycznych roślin wystawionych na działanie różnych warunków klimatycznych.

Rzodkiewnik pospolity jest wykorzystywany przez ludzi do badań biologicznych tak jak myszyT. KebertWikimedia Commons

Gigantyczny eksperyment na trzech kontynentach

Skala przedsięwzięcia była imponująca. Naukowcy utworzyli 43 ogrody badawcze rozmieszczone na trzech kontynentach. Ostatecznie eksperyment doprowadzono do końca w 30 lokalizacjach. Powstały one między innymi w Niemczech, Francji, Hiszpanii, Holandii, Norwegii, Grecji, Estonii, Stanach Zjednoczonych oraz Izraelu. Polskie poletko badawcze zlokalizowano na Kampusie Ochota Uniwersytetu Warszawskiego.

Do badań wykorzystano rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). To niepozorna roślina z rodziny kapustowatych, która od lat stanowi jeden z najważniejszych organizmów modelowych w biologii. Jej genom został w pełni poznany, a krótki cykl życiowy umożliwia obserwowanie kolejnych pokoleń w stosunkowo krótkim czasie.

Badacze wysiali tysiące nasion pochodzących z 231 dzikich linii rzodkiewnika z Europy, Azji i Afryki. Każdy ogród składał się z 12 oddzielnych rabat, a warunki pogodowe były monitorowane na bieżąco. Dzięki temu możliwe było porównywanie reakcji roślin na różne klimaty oraz śledzenie zmian zachodzących w ich materiale genetycznym.

Ponad 74 tysiące próbek i zaawansowane badania genetyczne

Jednym z najważniejszych elementów projektu było sekwencjonowanie DNA. Łącznie zebrano ponad 74 tysiące próbek roślinnych, co czyni ten eksperyment jednym z największych tego typu przedsięwzięć na świecie.

Naukowcy zastosowali metodę PoolSeq. Zamiast analizować pojedyncze rośliny, badali DNA całych populacji. Pozwoliło to określić, jak zmienia się częstotliwość występowania poszczególnych wariantów genów, czyli alleli.

Na podstawie zebranych próbek chcieliśmy dowiedzieć się, jaka jest częstotliwość występowania alleli w poszczególnych populacjach

Dzięki temu możliwe było porównanie zmian zachodzących w kolejnych pokoleniach roślin oraz ocena, które warianty genetyczne dawały największe szanse na przetrwanie.

Kwiat o drobnych, białych płatkach otoczony jasnymi pręcikami i zielonymi łodygami na rozmytym tle.

W eksperymencie GrENE-net wykorzystano niepozorną roślinę – rzodkiewnik pospolitySalicynaWikimedia Commons

Wyniki zaskoczyły nawet badaczy

Najważniejszy wniosek płynący z projektu jest taki, że ewolucja może zachodzić znacznie szybciej, niż dotychczas przypuszczano. Analizy opublikowane na łamach czasopisma Science wykazały, że częstotliwość występowania określonych alleli zmieniała się gwałtownie już w trakcie kilku pokoleń. Co więcej, podobne warunki klimatyczne prowadziły do podobnych zmian genetycznych w różnych częściach świata.

Jak się okazało, ewolucja rozumiana jako selekcja najbardziej dostosowanych alleli przebiega kierunkowo, a nie losowo

Badacz zaznaczył, że w podobnych warunkach środowiskowych eliminowane są te warianty genetyczne, które nie sprzyjają przetrwaniu, a utrwalają się te najbardziej korzystne.

Badacze odkryli również geny związane z reakcją na stres termiczny oraz regulacją czasu kwitnienia. Okazało się, że średnia temperatura otoczenia jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na tempo i kierunek adaptacji roślin.

Zmiany klimatyczne mają jednak swoje granice

Choć wyniki badań dają nadzieję, naukowcy podkreślają, że szybka ewolucja nie jest uniwersalnym rozwiązaniem problemu globalnego ocieplenia. W części eksperymentalnych ogrodów zmiany ewolucyjne okazały się nieprzewidywalne, a niektóre populacje roślin wyginęły mimo widocznych prób przystosowania.

Szczególnie trudne okazały się najcieplejsze środowiska. To właśnie tam badacze zaobserwowali sytuacje, w których tempo zmian klimatycznych było większe niż zdolność organizmów do adaptacji. Wyniki sugerują istnienie tzw. punktów krytycznych, po przekroczeniu których nawet szybka selekcja naturalna nie jest w stanie uratować populacji przed wymarciem.

To niezwykle ważne odkrycie, ponieważ pokazuje, że przyszłość wielu gatunków będzie zależała nie tylko od ich potencjału genetycznego, ale również od tempa zmian zachodzących w środowisku.

Czy ewolucja dogoni klimat?

Zdaniem naukowców odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna. Badanie wykazało, że organizmy posiadają zdolność do szybkiego dostosowywania się do nowych warunków. Jednocześnie istnieją granice tej adaptacji, których przekroczenie może prowadzić do zaniku całych populacji.

Nasza planeta podlega ciągłym zmianom; raz szybszym, raz wolniejszym. Żyjące na niej gatunki nieustannie muszą się do czegoś przystosowywać

Eksperyment GrENE-net dostarczył jednych z najcenniejszych danych dotyczących relacji między ewolucją a zmianami klimatycznymi. Wyniki pokazują, że natura posiada imponujące zdolności adaptacyjne, ale jednocześnie przypominają, że tempo globalnego ocieplenia może okazać się dla wielu gatunków zbyt szybkie. To właśnie dlatego dalsze badania nad mechanizmami ewolucji będą kluczowe dla przewidywania przyszłości bioróżnorodności na Ziemi.