U novom istraživanju, naučnici sa Državnog univerziteta u Arizoni i njihove kolege istraživali su genetske promene koje se dešavaju u prirodno izolovanoj populaciji vodene buve, Daphnia pulek. Ovaj mali rak, jedva vidljiv golim okom, igra ključnu ulogu u slatkovodnim ekosistemima i nudi jedinstveni prozor u prirodnu selekciju i evoluciju.
Njihovi nalazi, objavljeni u aktuelnom broju Zbornika radova Nacionalne akademije nauka, oslanjaju se na deceniju istraživanja. Koristeći napredne genomske tehnike, istraživački tim je analizirao uzorke DNK iz skoro 1.000 dafnija.
Otkrili su da snaga prirodne selekcije na pojedinačnim genima značajno varira iz godine u godinu, održavajući varijacije i potencijalno povećavajući sposobnost prilagođavanja budućim promenljivim uslovima životne sredine obezbeđivanjem sirovog materijala za prirodnu selekciju.
U naizgled stabilnim okruženjima, postoji značajna fluktuacija u učestalosti varijanti gena poznatih kao aleli na specifičnim hromozomskim regionima tokom vremena, čak i ako ukupna snaga selekcije ostane blizu nule u proseku tokom mnogo godina. Ovo sugeriše da takva genetska varijacija omogućava populaciji da ostane prilagodljiva promenama životne sredine.
„Ova studija nam je po prvi put dala uvid u vrste vremenskih promena u frekvencijama gena koje se dešavaju čak i u naizgled konstantnim okruženjima, neka vrsta kontinuirane genetske varijacije raspoređene po genomu“, kaže Majkl Linč, vodeći autor nove studije.
Linč je direktor Biodizajn centra za mehanizme evolucije i profesor na Školi prirodnih nauka na ASU. Dodatni istraživači na studiji uključuju kolege sa ASU, Centralnog Kineskog Normalnog univerziteta i Univerziteta Notr Dam.
Dafnije, oblik zooplanktona, fascinirale su biologe vekovima zbog svoje ključne uloge u vodenim ekosistemima i sposobnosti da se prilagode stresorima životne sredine. Pored njihove vrednosti za multigeneracijska genetska istraživanja, dafnije su široko korišćeni modelni organizmi za ispitivanje toksičnosti u slatkoj vodi jer imaju brz aseksualni reproduktivni ciklus i osetljive su na različite zagađivače životne sredine.
Sićušna stvorenja su vitalni izvor hrane za ribe i pomažu u održavanju rasta algi pod kontrolom. Njihova sposobnost da se brzo prilagode promenama životne sredine mogla bi da sadrži tragove o tome kako druge vrste — uključujući one važne za snabdevanje hranom za ljude — mogu da reaguju na zagađenje, klimatske promene i druge stresore izazvane ljudima.
Pokazalo se da većina lokacija ispitanih na genomu dafnije doživljava promenljive pritiske selekcije tokom perioda istraživanja. U proseku, ovi pritisci imaju tendenciju da se uravnoteže da bi imali mali ukupni efekat, što znači da nijedan pravac selekcije ne dominira tokom vremena. Umesto toga, genetske prednosti ili mane specifičnih osobina se menjaju iz jednog perioda u drugi.
Ovi nalazi dovode u pitanje tradicionalno verovanje da merenje genetske raznovrsnosti (opseg različitih osobina u populaciji) i genetske divergencije (razlike između populacija) mogu lako pokazati kako prirodna selekcija dosledno funkcioniše. Umesto toga, čini se da prirodna selekcija deluje sa većom suptilnošću i složenošću nego što se ranije mislilo.
Studija otvara novi teren utvrđivanjem kada i gde se javljaju pritisci selekcije unutar genoma. Osim osobina za koje se zna da su pod jakim uticajem prirodne selekcije, malo je informacija o tome kako se frekvencije alela menjaju tokom vremena u prirodnim populacijama.
Višegodišnja analiza na nivou genoma od skoro 1.000 genetskih uzoraka iz populacije Daphnia pulek pokazuje da većina genetskih mesta doživljava različitu selekciju, sa prosečnim efektom blizu nule, što ukazuje na mali konzistentan pritisak selekcije tokom različitih vremena i selekciju koja se širi u mnogim genomskim regionima.
Ovi nalazi dovode u pitanje uobičajeno razumevanje genetičke raznovrsnosti i divergencije kao indikatora slučajnog genetskog pomeranja i intenziteta selekcije.
Uočeni obrasci selekcije na različitim genskim mestima obezbeđuju mehanizam za održavanje genetske raznovrsnosti, što je neophodno za brzu adaptaciju. Studija je takođe otkrila da geni koji se nalaze jedan blizu drugog na hromozomima imaju tendenciju da evoluiraju na koordinisan način. Ova veza omogućava da se korisne kombinacije varijanti gena nasleđuju zajedno, potencijalno ubrzavajući proces adaptacije.
Ovaj efekat bi mogao pomoći da se objasni kako se vrste ponekad prilagođavaju brže nego što bi naučnici očekivali. S druge strane, isti fenomen može dovesti do toga da se štetni aleli povuku na više frekvencije povezanim korisnim alelima, smanjujući ukupnu efikasnost selekcije u nekim slučajevima.
Studija pokazuje da je evolucija dinamičnija i složenija nego što se ranije smatralo. Uticaj životne sredine na gene se često menja, što možda pomaže vrstama da zadrže genetsku raznolikost potrebnu za prilagođavanje budućim uslovima. Ovo novo razumevanje može podstaći naučnike da preispitaju kako proučavaju evoluciju u divljini.
Dok se studija fokusirala na Daphnia pulek, nalazi mogu imati implikacije za razumevanje kako druge vrste mogu da reaguju na brze promene životne sredine, uključujući one izazvane ljudskim aktivnostima, kao što su zagađenje i klimatske promene. Procena stabilnosti frekvencija alela u stabilnijim sredinama je važan preliminarni korak. Takve studije su kritične, jer sami laboratorijski eksperimenti ne mogu da dupliraju složenost uticaja životne sredine koji deluju na divlje populacije.
Dalje, razumevanje kako dafnije evoluira može pružiti uvid u otpornost čitavih ekosistema. Ovo znanje bi moglo pomoći istraživačima da predvide i potencijalno ublaže uticaje promena životne sredine na biodiverzitet i mreže hrane.
Dok se svet bori sa ubrzanom ekološkom krizom, studije poput ove pružaju ključni uvid u sposobnost prirode za otpornost i prilagođavanje. Nastavljajući da proučavaju ova sićušna stvorenja, naučnici se nadaju da će bolje razumeti fundamentalne mehanizme evolucije i primeniti ove lekcije na šire ekološke napore i napore očuvanja.
