Akcióban az evolúció: a végtagvesztés nyomában

Magukat a kutatókat is meglepte az új tudományos fölfedezés, hogy közeli rokon fajok azonos anatómiai megváltozását különböző gének is okozhatják. A tüskés pikó két faja is elvesztette medencéjét és testpáncélját az evolúció folyamán. A kutatók előzetes feltételezésével szemben a változásért más más gének felelősek a két fajban.

Mike Shapiro a laboratóriumában

Számos olyan eset ismert, amikor az evolúció újra meg újra ugyanazt a gént "használja" egy adott anatómiai sajátosság kialakítására, még különböző fajokban is. A Current Biology című folyóiratban a közelmúltban bemutatott megfigyelés az első, amikor a kutatók azt tapasztalták, hogy különböző géneknek van hasonló anatómiai hatásuk. Az eredmények új megvilágításba helyezik azt, hogy az evolúció miként hozhat létre sokféleséget a természetben. Valószínűleg a végtagok elvesztésének az evolúcióját is jobban megismerhetik a kutatók, hiszen a tüskés pikók medencéjének és a lábszerű úszósugaraknak az elvesztése hasonló jelenség, mint a végtagok visszafejlődése.

Tengerből az édesvízbe

A világon hat-nyolc tüskéspikófaj él, valamennyien az északi féltekén. Többségük eredetileg tengeri hal volt, csak ívni úsztak föl a folyókon, a lazacokhoz hasonlóan. A legutóbbi jégkorszak után bekövetkezett olvadáskor a tengeri tüskés pikók egy része fölúszott a patakokon az újonnan kialakult tavakba. A kilenctüskés és a háromtüskés pikók számos populációja azután csapdába esett a tavakban (megszűnt a visszaúszási lehetőség), így "kísérleti alanyul" szolgáltak az evolúciónak.

Az állatok rendkívül gyorsan és drámaian alkalmazkodtak ezekhez az új édesvízi környezetekhez. A változások magukban foglalják a testméret és -alak megváltozását, a testpáncél csökkenését és - alkalmanként - olyan nagy alkotórészek, mint a medenceöv elvesztését.

A tengerben a hasi tüskék hasznos védőeszközök voltak a ragadozó halak támadása ellen, de a tavakban élő ragadozók, különösen a szitakötőlárvák és más vízi rovarok éppen ezeknél fogva tudták könnyen megragadni apró zsákmányukat. Feltehetőleg ezért egyes populációknál az evolúció folyamán eltűntek a hasi tüskék és a medence.

Modellállat a végtagok visszafejlődésére

A cikk vezető szerzője, Mike Shapiro, a Utah Egyetem biológusa elmondta, hogy a végtagok elvesztése sok állatcsoportban - kígyók, cetek, manátuszok és egyes kétéltűek - megfigyelhető, de ezeknek a genetikai tanulmányozása nem egyszerű. A tüskés pikók jóval könnyebben vizsgálhatók, és így modellállatként szolgálhatnak annak megértéséhez, milyen genetikai változások mehettek végbe a többi állatcsoportban a végtagok elvesztésekor.

A képen balra a kilenctüskés pikó, jobbra a háromtüskés pikó látható. Fölül a "szokványos", medencével rendelkező példányok, alul a medencéjüket és hasi tüskéiket elvesztett példányok vannak (a nyilak a változás helyét jelzik)

Az új tanulmány az úgynevezett konvergens evolúcióra koncentrált, amelynek során ugyanazok a tulajdonságok egymástól függetlenül fejlődtek ki a különböző fajokban, illetve egy faj elkülönült populációiban. A fő kérdés az volt, vajon két faj ugyanazt a gént vagy különböző géneket használ-e ugyanolyan tulajdonságok "kifejlesztésére". A szakemberek sok esetet ismernek az első változatra, de most sikerült először kimutatni két tüskéspikó-fajban, hogy különböző gének is létrehozhatnak azonos tulajdonságokat.

Meglepetést hordozó genom

Shapiro és munkatársai készítették el a kilenctüskés pikó (Pungitius pungitius) első genomtérképét. Ennek az 5-10 centiméteres halnak a hátán kilenc tüske (úszósugár) mered, további kettő pedig gyakorlatilag a medenceövből nyúlik lefelé. Az alig egy centiméteres tüskék a hasúszókból fejlődtek ki. A medence és a tüskék elvesztése Shapiro szerint egyenértékű azzal, amikor egy szárazföldi állat veszti el a lábait.

A kutatók összehasonlították a kilenctüskés pikó genomját egy másik, korábban tanulmányozott fajéval, a háromtüskés pikóéval (Gasterosteus aculeatus). Ennek a másik fajhoz hasonló méretű halnak három nagyobb tüskéje van a hátán és normális esetben szintén két tüske kapcsolódik a medencéjéhez.

A tüskés pikóknak nincsenek pikkelyeik, ehelyett többségüket testpáncél borítja, ami feltehetőleg némi védelmet nyújt a ragadozó halakkal szemben. A kutatók nem találták meg pontosan azokat a géneket, amelyek a kilenctüskés pikó medencéjének és páncéljának elvesztéséért felelősek, de azt azonosítani tudták, hogy ezek a gének a hal 4. és 12. kromoszómáján helyezkednek el. A háromtüskés pikóban viszont ismert, hogy a medence elvesztéséért a 7. kromoszómán lévő Pitx1 gén, a páncél eltűnéséért pedig a 4. kromoszómán lévő Eda gén a felelős.

Az ivarmeghatározásért felelős gének is eltérő kromoszómákon (12-es, illetve 19-es) helyezkednek el a két halfajnál. Shapiro szerint ez nagyon meglepő, mert a két faj meglehetősen közeli rokon, még akkor is, ha evolúciós fejlődésük 13 millió éve vált el egymástól. Az emlősöknél például több mint 150 millió éve nem változott az ivarmeghatározás mechanizmusa.

Gyors evolúció a guppiknál

Az evolúció nemcsak a tüskés pikóknál zajlott viszonylag gyorsan. Az American Naturalist folyóiratban megjelent új tanulmány szerint az új környezetekbe telepített guppipopulációk alig néhány év alatt fejlesztettek ki új és előnyös tulajdonságokat. A riverside-i Kaliforniai Egyetemen dolgozó Swanne Pamela Gordon vezette kutatócsoport a trinidadi Yarra-folyóból kifogott 200 guppit vizsgált. A guppikat a közeli Damier-folyó (ahol korábban nem éltek guppik) két eltérő környezetébe telepítették be. Az egyik környezetben nem éltek ragadozók, a másikban viszont előfordultak olyan halak, amelyek alkalmanként bekaptak egy-két guppit.

Nyolc évvel a betelepítés után a csoport újra fölkereste a Damier-folyóban élő guppikat, hogy lássa, szert tettek-e valamilyen előnyös változásra az új környezetben. A kutatók azt tapasztalták, hogy a ragadozók lakta környezetben a nőstény guppik több utódot kezdtek "szülni", szemben kevésbé veszélyes vizekben élő nőstényekkel, amelyek "visszafogták" az energiaigényes szaporodást. A kutatók újabb - megjelölt - guppik betelepítésével azt is megállapították, hogy az alkalmazkodott guppik utódai több mint 50 százalékkal nagyobb eséllyel maradtak életben környezetükben, mint az "újonc" fajtársaik.