Hybrid Speciation:Όταν δύο είδη γίνονται τρία
Υπό το φως πολυάριθμων πρόσφατων αναφορών για ταχεία εξαφάνιση ζωικών και φυτικών ειδών στον πλανήτη μας, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη δυναμική της ειδογένεσης — δηλαδή πώς σχηματίζονται και διατηρούνται τα είδη.
Πολλά σενάρια ειδογένεσης έχουν προταθεί και αναλυθεί. Για παράδειγμα, η ειδογένεση μπορεί να διευκολυνθεί από τη φυσική/γεωγραφική απομόνωση των αποκλίνουσων πληθυσμών, με την προσαρμογή σε διαφορετικά περιβάλλοντα, με το σχηματισμό ακατάλληλων υβριδίων ή με την εξέλιξη του συνδυασμού ζευγαρώματος (τα άτομα τείνουν να αναπαράγονται με άτομα παρόμοια με τον εαυτό τους) .
Ένα ενδιαφέρον και αμφιλεγόμενο σενάριο στο οποίο μπορούν να προκύψουν νέα είδη ονομάζεται υβριδική ειδογένεση. Σε αυτή τη μέθοδο, μετά την επαφή δύο ειδών, ο υβριδικός πληθυσμός που δημιουργείται γίνεται γενετικά διαφορετικός και από τις δύο μητρικές πηγές. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα ένα τρίτο, ανεξάρτητο, νέο είδος. Εξέχοντα παραδείγματα πιθανών υβριδικών ειδών περιλαμβάνουν την πεταλούδα Heliconius, το ιταλικό σπουργίτι και τον ηλίανθο Helianthus. Ωστόσο, οι συνθήκες υπό τις οποίες μπορεί να συμβεί η υβριδική ειδογένεση είναι πιθανώς περιοριστικές. Αυτό απεικονίζεται από ένα προτεινόμενο θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί πώς μπορεί να συμβεί η υβριδική ειδογένεση. Είναι σημαντικό ότι το μοντέλο απαιτεί από τους δύο γονικούς πληθυσμούς να είναι αρκετά διαφορετικοί ώστε να θεωρούνται ξεχωριστά είδη, αλλά ταυτόχρονα αρκετά συμβατοί ώστε να μπορούν να σχηματίσουν τα απαραίτητα υβριδικά άτομα.
Προχωρώντας σε περισσότερες λεπτομέρειες, θέλαμε να κατανοήσουμε υπό ποιες συγκεκριμένες συνθήκες στα γονιδιώματα της υβριδικής ειδοποίησης των γονικών ειδών είναι πιο πιθανό να συμβούν. Για να απλοποιήσουμε το πρόβλημα, κατασκευάσαμε ένα ελάχιστο μαθηματικό μοντέλο υβριδικής ειδογένεσης. Ένα ελάχιστο μοντέλο αναπαράγει ένα βιολογικό φαινόμενο παρατηρήσιμο στη φύση με τον μικρότερο δυνατό αριθμό συστατικών. Η κατασκευή και η ανάλυση ενός ελάχιστου μοντέλου επιτρέπει σε έναν ερευνητή να συλλάβει και να κατανοήσει τα βασικά στοιχεία ενός βιολογικού φαινομένου.
Στην εργασία μας, εστιάσαμε σε μια συγκεκριμένη μορφή αναπαραγωγικής απομόνωσης, δηλαδή τη μεταζυγωτική απομόνωση. Όταν υπάρχει μεταζυγωτική απομόνωση, τα άτομα από δύο είδη μπορούν να ζευγαρώσουν μεταξύ τους αλλά οι προκύπτοντες απόγονοι είτε δεν είναι βιώσιμοι είτε στείροι. Ένα διάσημο παράδειγμα μεταζυγωτικής απομόνωσης μεταξύ των ειδών είναι το μουλάρι, το οποίο προκύπτει από τη διασταύρωση αλόγου και γαϊδάρου. Τα μουλάρια είναι στείρα και, ως εκ τούτου, αντιπροσωπεύουν ένα εξελικτικό αδιέξοδο (οποιοδήποτε γονίδιο που μεταφέρεται από ένα μουλάρι δεν θα μεταδοθεί σε κανέναν απόγονο).
Το πιο καλά υποστηριζόμενο μοντέλο για το πώς μπορεί να εξελιχθεί η μεταζυγωτική απομόνωση είναι το μοντέλο Bateson-Dobzhansky-Muller (που πήρε το όνομά του από τους εφευρέτες του). Αυτό το μοντέλο περιγράφει πώς οι τυχαίες γενετικές αλλαγές που συμβαίνουν σε γεωγραφικά απομονωμένους πληθυσμούς μπορούν να εμφανίσουν επιζήμια αποτελέσματα μόνο όταν συγκεντρωθούν σε ένα υβρίδιο. Με συναρπαστικό τρόπο, το μοντέλο Bateson-Dobzhansky-Muller εξηγεί πώς η φυσική επιλογή δεν μπορεί να «βλέπει» και επομένως να ενεργεί ενάντια στις προκύπτουσες μεταζυγωτικές γενετικές ασυμβατότητες (όπως ονομάζουμε αυτές τις αλληλεπιδρώντες γενετικές αλλαγές) μέχρι να εκτεθούν σε υβριδικά άτομα.
Για την αναπαραγωγική απομόνωση σε σχέση με τα δύο μητρικά είδη, και συνεπώς την υβριδική ειδοποίηση, χρειαζόμαστε τουλάχιστον δύο ζεύγη τέτοιων γενετικών ασυμβατοτήτων. ένα για να απομονώσει το νέο είδος από κάθε γονικό πληθυσμό του. Επομένως, μοντελοποιούμε την εξέλιξη τεσσάρων διαλληλικών τόπων. Ένας διαλληλικός τόπος είναι μια θέση στο γονιδίωμα με δύο πιθανές παραλλαγές. Σε κάθε έναν από αυτούς τους τόπους, χαρακτηρίζουμε ως «προγονική» τη γενετική παραλλαγή που υπήρχε στον προγονικό πληθυσμό και «προήλθε» την παραλλαγή που εμφανίστηκε μετά τη μετάλλαξη. Η μεταζυγωτική απομόνωση προκύπτει από γενετικές ασυμβατότητες μεταξύ των παραγόμενων παραλλαγών που είναι ειδικές για κάθε γονικό πληθυσμό. Για να μελετήσουμε τις καλύτερες συνθήκες για την υβριδική ειδογένεση, χρησιμοποιήσαμε προσομοιώσεις υπολογιστή.
Δείξαμε ότι η σχετική θέση των γενετικών ασυμβατοτήτων στο γονιδίωμα είναι κρίσιμη για την πιθανότητα παρατήρησης υβριδικής ειδογένεσης. Συγκεκριμένα, οι ασυμβατότητες πρέπει να εντοπίζονται χώρια η μία από την άλλη, αλλά όχι πολύ μακριά η μία από την άλλη. Επιπλέον, η σειρά των τεσσάρων εμπλεκόμενων τόπων στο γονιδίωμα μπορεί να αλλάξει κρίσιμα την πιθανότητα υβριδικής ειδοποίησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να εξηγήσουν τις αντιφατικές παρατηρήσεις από την εμπειρική βιβλιογραφία:από τη μία πλευρά, η υβριδική ειδογένεση σπάνια παρατηρείται. Από την άλλη πλευρά, πολλά συμβάντα υβριδικής ειδογένεσης έχουν αναφερθεί μεταξύ του ίδιου είδους. Για παράδειγμα, τρεις ανεξάρτητες περιπτώσεις υβριδικής ειδοποίησης έχουν αναφερθεί για το ιταλικό σπουργίτι. Ομοίως, έχει παρατηρηθεί υβριδική ειδογένεση μεταξύ δύο ειδών ζύμης τόσο στη φύση όσο και στο εργαστήριο. Σε συμφωνία με τις προβλέψεις μας, αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν την περιστασιακή επαναληψιμότητα της διαδικασίας υβριδικής ειδογένεσης. Αυτό δείχνει ότι η εμφάνιση υβριδικής ειδογένεσης δεν είναι απλώς τυχαία:η γενετική ορισμένων ειδών μπορεί να κάνει ορισμένα ζεύγη ειδών πιο επιρρεπή στην ίδρυση ενός νέου υβριδικού είδους από άλλα.
Η υπολογιστική μας εργασία παρέχει μια πιθανή εξήγηση για αυτό το μοτίβο, το οποίο μπορεί να βοηθήσει στη διευθέτηση της συνεχιζόμενης συζήτησης στην ερευνητική κοινότητα σχετικά με την πιθανότητα υβριδικής ειδογένεσης. Επιπλέον, η εργασία μας παρέχει υποθέσεις σχετικά με τις καλύτερες συνθήκες για την υβριδική ειδογένεση, οι οποίες μπορούν στο μέλλον να δοκιμαστούν εμπειρικά.
Όσον αφορά τη βιολογία διατήρησης, ο υβριδισμός είναι ένα σημαντικό ζήτημα, διότι μπορεί να βλάψει και να βοηθήσει στη διατήρηση της βιοποικιλότητας. Πολλά είδη έχουν εισαχθεί σε ένα νέο βιότοπο λόγω των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Αυτά τα χωροκατακτητικά είδη μπορούν να ανταγωνιστούν ή να υβριδοποιηθούν με τα αυτόχθονα, με κίνδυνο να χάσουν το τοπικό είδος. Επεκτείνοντας τα αποτελέσματά μας σε αυτό το ερώτημα, ορισμένα είδη θα πρέπει να είναι σε θέση να διατηρήσουν τη γενετική τους ακεραιότητα και ως εκ τούτου θα ανταγωνίζονται κυρίως για πόρους, ενώ άλλα είναι επιτρεπτά στην ενσωμάτωση γενετικού υλικού από τα χωροκατακτητικά είδη. Ποιο από αυτά τα σενάρια ισχύει και εάν αυτή η διαδικασία είναι ωφέλιμη ή επιζήμια είναι πιθανό να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη «γενετική αρχιτεκτονική», δηλαδή τη θέση των αλληλεπιδρώντων και δυνητικά ασυμβίβαστων τόπων στο γονιδίωμα.
Ως εκ τούτου, η εργασία μας υπονοεί ότι το να γνωρίζουμε πώς δύο είδη απομονώνονται αναπαραγωγικά το ένα από το άλλο μπορεί να είναι κρίσιμο για την πρόβλεψη του αποτελέσματος του υβριδισμού. Αυτό, με τη σειρά του, είναι το κλειδί για τον σχεδιασμό κατάλληλων στρατηγικών διατήρησης υπό την απειλή χωροκατακτητικών ειδών.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο In search of the Goldilocks zone for hybrid speciation, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό PLOS Genetics. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Alexandre Blanckaert και Claudia Bank από το Instituto Gulbenkian de Ciência.
