Jak upierzenie jastrzębi dowiodło racji Huxleya

Przykład polimorfizmu u jaguarów. /źródło: wiki; żółty jaguar: Cburnett (CC BY-SA 3.0); czarny jaguar: domena publiczna

ResearchBlogging.org

Tygodnik Nature w swoim wydaniu online donosi o pracy dwóch australijskich badaczy, którzy wykazali, że polimorfizm barw przyspiesza specjację (powstawanie nowych gatunków) u pewnych ptaków, tym samym potwierdzając hipotezę promowaną już w czasach Juliana Huxleya (czyli w okolicach pierwszej połowy uprzedniego stulecia).

Przyjrzyjmy się zatem powyższemu zdaniu krok po kroku…

Polimorfizm to bardzo, ale to bardzo szerokie pojęcie z zakresu biologii W skrócie: z polimorfizmem mamy do czynienia, gdy w obrębie jednego gatunku (w uproszczeniu) występuje więcej niż jeden wyraźny fenotyp. Fenotyp to, i niech mi czytający to biologowie wybaczą, po prostu nasz wygląd. Więc różne fenotypy u ludzi, to na przykład niebieskoocy, czarnoocy, piwnoocy i tak dalej. Różne fenotypy u jaguarów to jasna i ciemna sierść (patrz: ilustracja poniżej).

polimorfizm jaguarów
Przykład polimorfizmu u jaguarów. /źródło: wiki; żółty jaguar: Cburnett (CC BY-SA 3.0); czarny jaguar: domena publiczna

Polimorfizm u mrówek objawia się obecnością wyspecjalizowanych osobników: robotnic, trutni, królowej. Najoczywistszym i bardzo możliwe, że najbardziej wśród organizmów ziemskich uniwersalnym polimorfizmem jest dymorfizm płciowy, czyli istnienie dwóch płci u wielu gatunków. Nazwa polimorfizm nawiązuje do nazywania tych różnych fenotypów morfami.

Wszystkie takie rodzaje polimorfizmów mają podłoże genetyczne. A mechanizmów prowadzących do ich powstanie jest w bród. Może więc ich przyczyną być po prostu wariacja w obrębie jednego tylko allelu (tak się dzieje w przypadku naszych grup krwi). Przyczyną może też być zjawisko nazywane plejotropizmem genów: o nim mówimy wówczas, gdy jakiś gen kontroluje więcej niż jedną fenotypową cechę. Niechlubnym przykładem działania plejotropii jest fenyloketonuria, groźna choroba, której skutkiej jest niemożność organizmu do metabolizmy fenyloalaniny. Kolejnym mechanizmem prowadzącym do powstania polimorfizmów jest epistaza: regulacja ekspresji genu przez inne geny (tu dobrym przykładem, który pochwaliłby zapewne Mendel, jest kolor kwiatów fasoli).

Jaka by nie była polimorfizmów przyczyna, ważne jest jedno – koniec końców rezultatem jest różnorodność przyrody.

Jak większość Czytaczek i Czytaczy zapewne zauważyła czytając poprzednie akapity, polimorfizm niezwykle często objawia się jako różnice umaszczenia, koloru sierści, koloru piór, koloru w każdej formie. To jest to, co na początku nazwałem polimorfizmem barw, chociaż nie jestem przekonany do końca, że takiego sformułowania użyłby fachowiec.

Jednym z badaczy, który interesował się polimorfizmem barw, był wspomniany przeze mnie w pierwszym akapicie wybitny angielski biolog Julian Huxley (wnuk innego wybitnego angielskiego biologa i naturalisty, Thomasa Huxleya, którego niektórzy z Was mogą kojarzyć jako Buldoga Darwina). Huxley zresztą ukuł termin morf. Bardzo pouczająca jest jego praca z 1955 (dostępna na mailowe życzenie, jak i pozostałe cytowane publikacje) o polimorfizmie – czy też morfizmie, jak zwykł to zjawisko nazywać Huxley – i jego związku z ewolucją. W skrócie powiedzieć można, że zdaniem Huxleya obecność polimorfizmu sprzyja powstawaniu nowych gatunków. A barwnym tego przykładem jest właśnie polimorfizm barw u ptaków.

Polimorfizm barw u ptaków nie jest zjawiskiem aż tak częstym, jak mogłoby się nam wydawać. Pojawia się u zaledwie ok. 3.5% wszystkich gatunków. Z drugiej jednak strony, występuje w aż 61% rzędów, co oznacza, że te trzy i pół procenta rozproszone jest po całej gromadzie ptaków. Szczególnie często pojawia się on wśród sów (33% gatunków), kukułkowych (12%), kuraków (9.5%) oraz brodzących (9%). W dalsze rozważania nad podziałem polimorficznych ptaków rozwodził się nie będę, aby oszczędzić drogim Czytaczkom i Czytaczom bolączek związanych ze współczesną taksonomią.

Badacze od wielu dekad usilnie poszukują odpowiedzi na pytanie, jakie są mechanizmy (ewolucyjne i ekologiczne, nie zaś genetyczne, bo te, jak już powiedziałem, z grubsza znamy) powstawania polimorfizmu u ptaków. Czyli jaką przewagę nad innymi ptakami daje im ta fenotypowa mnogość? Dorzucę tutaj garść ciekawych statystyk, które może kogoś zainspirują do dalszych rozważań: 81% gatunków, które wykazują polimorfizm barw, nie wykazują dymorfizmu płciowego w upierzeniu. 94% gatunków z polimorfizmem upierzenia jest monogamiczne – i należy tutaj dodać, że ok. 90% wszystkich ptaków jest monogamiczne, więc może tu być coś na rzeczy. Ciekawskich odsyłam do pracy Galeottiego et al., której autorzy odpowiadają na pierwotne pytanie (jakie mechanizmy?) oraz na pytanie wtórne (jak się do tego mają powyższe statystyki?). Zachęcam jednak do tego, aby spróbować samemu znaleźć wyjaśnienie (nie martwcie się jednak, jeśli się nie uda – jestem pewiem, że Galeotti i współpracownicy spędzili sporo czasu i pieniędzy próbując znaleźć odpowiedzi).

Ale wróćmy teraz do sedna: do pracy z Nature i jej konsekwencji dla teorii Huxleya.

Australijscy badacze Andrew Hugall i Devi Stuart-Fox oparli się na teoretycznych rozważaniach wielu badaczy ostatniego ćwierćwiecza, a także nieco nowszych modelach matematycznych, które przewidywały (i teoria, i modele), że polimorfizm barw powinien sprzyjać specjacji – w jaki dokładnie sposób jest tutaj mniej istotne. Aby sprawdzić, czy w istocie istnieje taka zależność, porównali oni gatunki wykazujące polimorfizm upierzenia oraz gatunki monomorficzne w obrębie pięciu różnych grup ptaków, o których wiadomo, że zawierają duży odsetek tych pierwszych i dla których dostępna jest solidna ilość danych genetycznych (bo patrząc na zmiany w obrębie genomu najłatwiej jest w sposób obiektywny ocenić, czy doszło do specjacji).

Grupami wykorzystanymi w badaniach były rodzina jastrzębiowatych (Accipitridae), Striginae oraz Surniinae (dwie podrodziny sów), rodzina lelkowatych (Caprimulgidae), rodziny sokołowatych (Falconidae) oraz kurowatych (Phasianidae). Do tych grup należy mniej niż 7% wszystkich gatunków ptaków, ale aż 47% spośród gatunków wykazujących polimorfizm upierzenia. Poniższa grafika ilustruje stosunek tempa specjacji gatunków polimorficznych do tempa specjacji gatunków monomorficznych w obrębie tych pięciu grup. I jak widać, poza przypadkiem kurowatych, polimorficzne gatunki ewoluują i dzielą się na nowe znacznie szybciej, niż gatunki monomorficzne.

porównanie tempa specjacji
Porównanie temp specjacji w obrębie pięciu ptasich grup. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Hugall and Stuart-Fox, Nature doi: 10.1038/nature11050 ©2012

Badacze spróbowali też odpowiedzieć na inne narzucające się pytanie: dlaczego polimorfizm upierzenia jest wśród ptaków tak rzadki? Jedną z narzucających się odpowiedzi jest to, że gry polimorficzny gatunek podlega specjacji, różne morfy wchodzące w jego skład ulegają utrwaleniu – innymi słowy gatunek polimorficzny dzieli się na dwa gatunki monomorficzne. Alternatywnych wyjaśnieniem jest większe tempo wymierania gatunków polimorficznych niż monomorficznych. Autorzy sugerują, że mamy tu jednak do czynienia z przypadkiem pierwszym.

Jeden z autorów, Andrew Hugall, wspaniałomyślnie oddał Huxley’owi należny mu hołd, przyznając, że chociaż wybitny biolog znakomicie przewidział to, co dopiero Australijczykom udało się ponad (niemal) wszelką wątpliwość wykazać, to jednak w jego czasach brakowało po prostu danych, aby tę hipotezę potwierdzić. Gdyby miał on dostęp do dekad badań genetycznych, do komputerowych programów analitycznych, czy wreszcie do dziesięcioleci wyników obserwacji wielu ptasich wielbicieli, wówczas zeszłotygodniowa publikacja byłaby tylko odgrzanym kotletem. Tego ostatniego oczywiście już nie powiedział, ale taka jest prawda – co jednak w niczym nie umniejsza badań Hugalla i Stuart-Foxa, a jedynie demonstruje, jak znacznie więcej dzisiaj możemy i potrafimy.

Badaczom pozostaje teraz jedynie sprawdzić, w miarę możliwości, czy ta teoria jest w istocie uniwersalna dla wszystkich ptaków, a następnie zacząć poszukiwać wyjaśnienia tego fenomenu. Bo stwierdzić, że jabłko spadło z drzewa, by było ciężkie, to nawet ja bym mógł. Ale trzeba było Newtona, żeby wyjaśnić dlaczego.

Huxley, J. (1955). Morphism and evolution Heredity, 9 (1), 1-52 DOI: 10.1038/hdy.1955.1

Galeotti, P., Rubolini, D., Dunn, P., & Fasola, M. (2003). Colour polymorphism in birds: causes and functions Journal of Evolutionary Biology, 16 (4), 635-646 DOI: 10.1046/j.1420-9101.2003.00569.x

Hugall, A., & Stuart-Fox, D. (2012). Accelerated speciation in colour-polymorphic birds Nature DOI: 10.1038/nature11050

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s