Εξέλιξη σε δράση:Σύνδεση γονιδίων με την επιβίωση σε άγρια ποντίκια λόγω του χρωματισμού του τριχώματος
Πριν από περίπου 10.000 χρόνια, ο ανοιχτόχρωμος χαλαζίας άρχισε να εναποτίθεται σε αυτό που θα γινόταν η σύγχρονη Νεμπράσκα, σχηματίζοντας τελικά αμμόλοφους που καλύπτουν μια περιοχή άνω των 50.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων. Η περιοχή Nebraska Sand Hills έχει χαρακτηριστεί ως μια ξεχωριστή οικοπεριοχή λιβαδιών και φιλοξενεί μια ποικιλία φυτών και ζώων, συμπεριλαμβανομένων των χαρισματικών βίσονων και των προγόνων. Αυτό το σχετικά πρόσφατο γεωλογικό χαρακτηριστικό έχει επίσης χρησιμεύσει ως φυσικό εξελικτικό εργαστήριο για έναν από τους μικρότερους κατοίκους του - το ποντίκι ελάφι (Peromyscus maniculatus ).
Το χρώμα του τριχώματος των ποντικών ελαφιού ποικίλλει δραματικά από σκούρο γκρι έως ανοιχτό μαύρισμα. Είναι ενδιαφέρον ότι τα σκούρα ποντίκια βρίσκονται συνήθως στο περιβάλλον σκούρο γκρι χώμα, ενώ τα ποντίκια που ζουν στον γεωλογικά πρόσφατο ανοιχτόχρωμο βιότοπο Sand Hills είναι συνήθως πιο ανοιχτόχρωμα, υποδηλώνοντας ότι τα ανοιχτότερα χρώματα του τριχώματος των ποντικών Sand Hills εξελίχθηκαν πρόσφατα. Έχει υποτεθεί ότι η εξέλιξη αυτής της χρωματικής παραλλαγής καθοδηγείται από τη φυσική επιλογή για χρώματα τριχώματος που συνδυάζονται με το περιβάλλον τους ενάντια σε αρπακτικά πτηνών όπως οι κουκουβάγιες και τα γεράκια που κυνηγούν κυρίως με την όραση. Αλλά για να καταλάβουμε πραγματικά πώς εξελίχθηκε το χρώμα του τριχώματος σε ποντίκια ελαφιού, πρέπει να ψάξουμε βαθύτερα - στο επίπεδο των γονιδίων που παρέχουν τις κληρονομικές πληροφορίες για τα πλεονεκτικά χρώματα του τριχώματος που θα περάσουν από τη μια γενιά στην άλλη. Μια μακροχρόνια πρόκληση στη βιολογία ήταν η σύνδεση των μεταλλάξεων μέσα στα γονίδια με την ποικιλία των χαρακτηριστικών που υπόκεινται στη φυσική επιλογή.
Σε αυτή τη μελέτη, κάνουμε αυτή τη σύνδεση χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό πειραμάτων πεδίου και εργαστηρίου. Πραγματοποιήσαμε αρχικά ένα πείραμα πεδίου μεγάλης κλίμακας με άγριους πληθυσμούς ποντικών ελαφιών για να εκτιμήσουμε άμεσα τη φυσική επιλογή στο χρώμα του τριχώματος. Χρησιμοποιήσαμε 14.000 κιλά χάλυβα, μερικά βαριά μηχανήματα και άφθονη χειρωνακτική εργασία, αίμα, ιδρώτα και δάκρυα για να χτίσουμε πολλά μεγάλα περιβόλια τόσο στο Sand Hills όσο και στο έδαφος. Μετά από εβδομάδες ανύψωσης πριν από την αυγή για να στήσουμε παγίδες για ποντίκια και μερικούς κροταλίες, καταφέραμε να πιάσουμε εκατοντάδες άγρια ποντίκια. Στη συνέχεια γεμίσαμε κάθε περίβλημα με ~100 ποντίκια με ραδιοετικέτες που πιάστηκαν πάνω και έξω από τους Sand Hills και περιμέναμε να δούμε ποια θα επιζήσουν από επίθεση αρπακτικών πτηνών από ψηλά.
Μετά από τρεις μήνες, συγκρίναμε το χρώμα του τριχώματος και τις γενετικές διαφορές μεταξύ των αρχικών ποντικών και των επιζώντων. Πρώτα διαπιστώσαμε ότι τα ποντίκια με τα χρώματα του τριχώματος που ταιριάζουν με τον βιότοπο των καταλυμάτων τους ήταν πιο πιθανό να επιβιώσουν. Κατά μέσο όρο, τα ποντίκια που επέζησαν σε σκούρο χώμα είχαν πιο σκούρα χρώματα τριχώματος από τα ιδρυτικά άτομα, ενώ τα επιζώντα ποντίκια σε ανοιχτόχρωμη άμμο είχαν πιο ανοιχτόχρωμα χρώματα τριχώματος. Επιπλέον, βρήκαμε μεγάλες αλλαγές στη συχνότητα των μεταλλάξεων στο γονίδιο Agouti , το οποίο είναι γνωστό από προηγούμενη έρευνα ότι επηρεάζει την παραγωγή χρωστικών κυττάρων σε πολλά σπονδυλωτά.
Το να δείξουμε ότι αυτές οι μεταλλάξεις ήταν σημαντικές στη φύση ήταν ένα πράγμα, αλλά θέλαμε επίσης να δείξουμε ότι επηρέαζαν άμεσα το χρώμα του τριχώματος στα ποντίκια, γι' αυτό βγάλαμε τις μπότες μας και φορέσαμε τα λευκά εργαστηριακά μας παλτά. Στο εργαστήριο, επικεντρωθήκαμε σε μία από αυτές τις μεταλλάξεις, μια ενιαία διαγραφή αμινοξέων. Με τη γενετική μηχανική του σε ποντίκια εργαστηρίου, ανακαλύψαμε ότι τα ποντίκια που έφεραν τη διαγραφή είχαν ανοιχτά χρώματα στο τρίχωμα λόγω της σημαντικά λιγότερης κίτρινης-καφέ χρωστικής (φαιομελανίνη) στις τρίχες τους. Οι βιοχημικές δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι η διαγραφή προκαλεί λιγότερη χρωστική ουσία μειώνοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνών agouti και ενός συγκεκριμένου υποδοχέα (attractin) στη μεμβράνη των κυττάρων που παράγουν χρωστική ουσία. Τέλος, επιστρέψαμε στα ποντίκια άγριας ελάφια στα πειραματικά μας περιβλήματα στη Νεμπράσκα για να δείξουμε ότι αυτή η διαγραφή στην πραγματικότητα μειώθηκε στα σκοτεινά περιβλήματα όπως αναμενόταν.
Με αυτά τα πειράματα, δείχνουμε πώς μια μεμονωμένη μετάλλαξη (διαγραφή αμινοξέος) σε ένα μόνο γονίδιο (Agouti ) αλλοιώνει ένα χαρακτηριστικό (χρώμα τριχώματος) που βρίσκεται υπό φυσική επιλογή (επηρεάζει την επιβίωση) λόγω οικολογικών πιέσεων (θηράματα πτηνών). Η διαφορική επιβίωση των φωτεινών και σκοτεινών ποντικών ανατροφοδοτείται σε γενετικό επίπεδο προκαλώντας ορισμένες μεταλλάξεις να γίνονται περισσότερο ή λιγότερο συχνές με την πάροδο του χρόνου. Η επίδειξη αυτών των αιτιωδών δεσμών μεταξύ γονιδίων, χαρακτηριστικών και επιβίωσης παρέχει μια πλήρη εικόνα της εξέλιξης στη δράση, η οποία σπάνια έχει παρατηρηθεί εκτός μικροβίων σε ένα εργαστήριο.
Αυτά τα συναρπαστικά αποτελέσματα παρέχουν αποδείξεις ότι η εξέλιξη μπορεί να προβλεφθεί στη φύση για ορισμένα χαρακτηριστικά υπό ορισμένες συνθήκες. Το εάν αυτή η προβλεψιμότητα ισχύει για άλλα χαρακτηριστικά σε άλλα είδη θα απαιτήσει περισσότερα πειράματα που συνδέουν τη γενετική με τα χαρακτηριστικά με την επιβίωση. Μια τέτοια έρευνα γίνεται πιο σημαντική καθώς αρχίζουμε να συνειδητοποιούμε ότι η εξέλιξη μπορεί να συμβεί σχετικά γρήγορα, ότι οι άνθρωποι είναι όλο και περισσότερο η αιτία αυτών των αλλαγών και ότι η εξέλιξη μπορεί να έχει σημαντικές οικολογικές, ιατρικές και οικονομικές συνέπειες.
