Spojrzenie na ewolucyjną przeszłość gatunków w nowym świetle
Specjacja — proces, w którym populacja w obrębie jednego gatunku oddziela się i rozwija własne unikalne cechy — jest powolnym procesem ewolucyjnym, który trudno jest bezpośrednio zaobserwować. Często najlepszym źródłem informacji o tym, kiedy i jak doszło do specjacji, jest zmienność sekwencji wzdłuż genomu, czyli zestawu instrukcji DNA znajdujących się w komórce. „Możemy na przykład wykorzystać liczbę różnic w sekwencjach do datowania dywergencji gatunków” — wyjaśnia koordynator projektu ModelGenomLand Konrad Lohse z Uniwersytetu Edynburskiego w Wielkiej Brytanii. Badacze zazwyczaj skupiali się jednak na niewielkiej liczbie organizmów modelowych. Należą do nich muszki owocowe i inne owady, u których specjacja następowała szybko lub wiązała się z widocznymi zmianami, takimi jak różnice we wzorach kolorów u motyli. Naukowcy starali się również odróżnić dobór naturalny działający ogólnie w obrębie gatunku od wymuszających dobór barier dla przepływu genów między gatunkami. „Biorąc pod uwagę te ograniczenia, nadal w niewystarczającym stopniu rozumiemy, w jaki sposób zazwyczaj zachodzi specjacja” — dodaje Lohse.
Narzędzia matematyczne pomagają zrozumieć zmiany genetyczne
Projekt ModelGenomLand, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, miał na celu opracowanie nowych narzędzi matematycznych, które pozwoliłyby naukowcom modelować zmienność wytrzymałości barier gatunkowych wzdłuż genomu. „Ważnego przełomu matematycznego dokonał doktorant Gertjan Bisschop, który opracował algorytm przyspieszający te obliczenia” — wyjaśnia Lohse. Mogłoby to zapewnić lepsze zrozumienie zmian genetycznych, które prowadzą do ewolucji i utrzymania różnic gatunkowych, oraz umożliwić rekonstrukcję historii specjacji w sposób niezależny od ograniczeń. Aby zbadać procesy specjacji, Lohse i jego współpracownicy połączyli siły z laboratorium Rogera Vili z Wyższej Rady Badań Naukowych Hiszpanii, lidera w dziedzinie różnorodności motyli, i wygenerowali dane dla 20 par siostrzanych gatunków motyli. Zespół projektu ModelGenomLand współpracował również z projektem Darwin Tree of Life i laboratorium Alexa Haywarda na Uniwersytecie w Exeter w celu przygotowania genomów referencyjnych dla tych gatunków.
Zmienność w całym genomie a procesy ewolucyjne
W ramach projektu z powodzeniem opracowano nowy sposób łączenia zmienności obejmującej cały genom z podstawowymi modelami procesów ewolucyjnych. Doprowadziło to do kilku ważnych odkryć. „Analiza danych pokazuje, że większość gatunków motyli pochodzących z Europy nie powstała podczas jednego z głównych cykli epoki lodowcowej, jak wcześniej zakładano” — zauważa Lohse. „Są one znacznie starsze, w wielu przypadkach wcześniejsze niż początek plejstocenu 2,6 miliona lat temu”. Zespół odkrył również, że nawet pary gatunków, pomiędzy którymi dywergencja zaczęła zachodzić ponad 1 milion lat temu, nadal wymieniają się zmiennością genetyczną. „Inny doktorant pracujący nad projektem, Alexander Mackintosh przeanalizował sekwencje genomów pary gatunków motyli, których chromosomy uległy dużej liczbie rearanżacji” — mówi Lohse. „Modelując proces specjacji wzdłuż genomu, był w stanie wykazać, że rearanżacje były związane z niższym tempem wymiany genów między gatunkami, co promowało ich dywergencję”.
Badanie scenariuszy ewolucji różnych gatunków
Nowe podejścia zapoczątkowane w ramach projektu ModelGenomLand są obecnie wykorzystywane do badania scenariuszy ewolucyjnych w szerokim wachlarzu gatunków. „Nadal analizujemy dane genomiczne związane ze specjacją wygenerowane w ramach projektu” — dodaje Lohse. „Opisanie ogólnych właściwości barier gatunkowych wymaga szeroko zakrojonego porównywania historii demograficznych i obrazów genomicznych”. Kluczowym kolejnym krokiem, mówi Lohse, jest zrozumienie, jak bardzo „nieszczelne” są bariery między gatunkami i scharakteryzowanie zarówno czasu trwania korzystnej zmienności, która jest nadal dzielona między pojawiającymi się gatunkami, jak i rodzaju występującej zmienności.
Słowa kluczowe
ModelGenomLand, ewolucyjne, gatunki, matematyczne, DNA, genetyka, genom