Jednym z najciekawszych wzorców ewolucji na dużą skalę jest równoległość. Na przykład lot ewoluował wiele razy, równolegle, z wielu organizmów nielotnych; wiele gatunków kręgowców niebędących rybami ewoluowało równolegle do pływania. W jednym z badań odkryto równoległą ewolucję pancerza wśród słodkowodnych ryb kleszczowatych pochodzących od licznych przodków słonowodnych.
Inną interesującą rzeczą w ewolucji, którą doceniono dopiero w ostatnich dziesięcioleciach, jest fakt, że nie ma prostej zgodności między genami i cechami. Rzadko jeden gen określa jedną cechę, a rzadko jedna cecha różni się z powodu jednego genu. Istnieją dziesiątki przykładów prostych relacji gen-cecha, z których wiele odkryto wiele lat temu. Ponieważ relacje te były stosunkowo łatwe do znalezienia i opisania, nasze podręczniki są ich pełne, a nasze myślenie o genetyce opierało się na nich przez długi czas. Ale to trochę jak oparcie naszej koncepcji działania wszystkich pojazdów, dogłębnie rozumiejąc działanie wagonu zabawkowego. Mechanika i inżynieria małego czerwonego wagonu nie pomoże nam zrozumieć schodów ruchomych, łodzi podwodnych ani księżycowych systemów startowych Apollo. Uważamy teraz, że większość genów wpływa na wiele cech, a na większość cech wpływa wiele genów i że wszystko to jest bardzo złożone.
Niedawne badania nad zachowaniem przywracania wydają się być przykładem jednego genu wpływającego na wiele cech.
Stickleback są członkami rodziny ryb Gasterosteidae, z gatunkami żyjącymi w słonej i słodkiej wodzie. Kleszcze słodkowodne wyewoluowały od przodków słonowodnych, którzy byli pozbawieni dostępu do morza mniej niż około 17 000 lat temu w wielu miejscach na półkuli północnej. Z tego powodu różnice między słodkowodnymi i morskimi wodorostami reprezentują niedawną i szybką ewolucję wśród dobrze znanej grupy gatunków, a zatem są szczególnie interesujące dla naukowców.
Kleszcze w słonej wodzie mają do 36 kostnych płytek związanych z mniejszą liczbą ostrych kolców. Te talerze i kolce chronią ryby przed drapieżnikami, ale ich produkcja i utrzymanie są kosztowne. Płytki kostne wymagają dodatkowego wapnia, co jest rzadkie w niektórych środowiskach i ograniczają ruchy ciała ryby.
Lepki słodkowodny ma zwykle mniej kolców i kostnych talerzy. Niektóre mają odstępy w rzędzie talerzy (nazywa się to „częściowym przekształceniem”), podczas gdy inne mają tylko kilka płytek na tylnym końcu ryby („niskie przekształcenie”). Świeża woda ma mniej wapnia niż woda słona, więc może to być adaptacja do ograniczających zasobów. Ponadto w środowiskach słodkowodnych występuje zwykle mniej drapieżników niż w środowiskach słonej wody, więc właściwości ochronne płytek kostnych mogą być mniej ważne w słodkiej wodzie; być może istniała swobodna selekcja naturalna tej zbroi i z czasem została ona utracona w wielu różnych populacjach równolegle.
W badaniu z 2005 r. Naukowcy przyjrzeli się genowi ( Eda ), który determinuje wzrost płytki kostnej i odkryli, że kleszcze słodkowodne mają wariant genu, który spowodował utworzenie mniejszej liczby płytek w tych populacjach. Gen Eda prawdopodobnie pełni funkcję regulacyjną, więc mógłby określić jeden z szeregu fenotypów od w pełni opancerzonej wersji słonej wody do dwóch mniej opancerzonych wersji znajdujących się w słodkiej wodzie. Połączenie analizy genetycznej i populacyjnej doprowadziło naukowców do odkrycia, że większość słodkowodnych kleszczy na półkuli północnej, które wykazują utratę kostnych płytek, robi to, ponieważ wszyscy odziedziczyli wariant Eda, który jest rzadki w pierwotnych populacjach słonej wody. Tak więc cecha ewoluowała równolegle w wielu liniach, z których wszystkie pochodziły z różnych populacji słonej wody, ale ewoluowała również z jednej wcześniej istniejącej formy genu. Stwierdzono jednak również, że jeden lub więcej sticklebacków półkuli północnej ze zmniejszonymi płytkami kostnymi uzyskało tę cechę z zupełnie innej zmiany genetycznej.
Ta cecha jest zatem przykładem cechy określonej przez więcej niż jeden gen oraz przykładem równoległej ewolucji zachodzącej na więcej niż jeden sposób.
Drugie badanie zgłoszone właśnie na spotkaniu naukowym dotyczy tego, co wydaje się być zupełnie innym pytaniem o ewolucję odrzutu. Większość drugoplanowych tworzy szkoły, co jest powszechną adaptacją wśród ryb, zgodnie z zasadą bezpieczeństwa liczbowego. Ale jest jedna populacja słodkowodnych kleszczy, którzy nie tworzą szkół. Sticklebacks z Paxton Lake w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie pływają samotnie przez większość czasu. Zamiast tworzyć szkoły, ukrywają się w gęstej roślinności na dnie jeziora Paxton.
Zespół badawczy kierowany przez Annę Greenwood z Fred Hutchinson Cancer Research Center w Seattle opracował maszynę do testowania i mierzenia zachowań szkolnych u drugoplanowych. Składa się z mobilnej grupy fałszywych ryb, które poruszają się razem jako szkoła robotów w kółku wokół dużego akwarium. Kiedy za pomocą tej maszyny umieszczono ryby ze szkolnej populacji kleszczyków, połączyły się z fałszywymi rybami i popłynęły razem z nimi. Kiedy ryby z populacji niewykształconej były umieszczane w wodzie za pomocą tej maszyny, nie uczyły się w szkole. Te dwie populacje są tak ściśle powiązane, że mogą się krzyżować. Naukowcy przetestowali potomstwo ryb w wieku szkolnym i pozaszkolnym, aby zobaczyć, jakie zachowanie wykaże każda ryba. Zgodnie z oczekiwaniami niektórzy uczyli się, a niektórzy nie. Po uporządkowaniu ryb hybrydowych zbadano ich geny, aby sprawdzić, czy istnieje jakaś szczególna sygnatura, która łączy się ze szkoleniem czy pływaniem w samotności.
Okazuje się, że genem, który wydaje się kontrolować zachowanie szkolne u tych ryb, jest nic innego jak Eda, ten sam gen, który kontroluje liczbę płytek kostnych.
Tak więc sticklebacks nie tylko dają nam doskonały przykład tego, jak może powstać równoległa ewolucja, ale także świetny przykład genu wpływającego na więcej niż jedną cechę. Ale jak to działa? Ryby, które nie rozwijają płytek kostnych, również nie rozwijają w pełni funkcjonalnej linii bocznej. Linia boczna jest narządem zmysłu wielu ryb, który pozwala rybom wykryć ruch w innych miejscach w wodzie. Niektóre ryby drapieżne używają linii bocznej, aby znaleźć swoją ofiarę, inne ryby używają linii bocznej do wykrywania drapieżników, a tym samym unikają stania się ofiarą, a ryby w szkole używają linii bocznej do śledzenia innych ryb w szkole. Wygląda na to, że kleszcze ze słabo rozwiniętymi liniami bocznymi nie mogą szkolić się, ponieważ nie potrafią właściwie wyczuć innych ryb, z którymi musiałyby koordynować swoje ruchy.
Źródła:
Colosimo, Pamela F., Kim E. Hosemann, Sarita Balabhadra, Guadalupe Villarreal, Jr., Mark Dickson, Jane Grimwood, Jeremy Schmutz, Richard M. Myers, Dolph Schluter i David M. Kingsley. 2005. Powszechna równoległa ewolucja w Sticklebackach poprzez powtarzane utrwalanie nauki o ektodysplazynie Alleles 25 marca 2005 r .: 307 (5717), 1928–1933.
Pennisi, Elizabeth. 2012. Robotic Fish Point to Schooling Gene. Wiadomości i analizy. Science 335 (6066): 276–277. DOI: 10.1126 / science.335.6066.276-b
