Populacje ślimaków na archipelagu Koster, dotknięte toksycznym zakwitem glonów, stały się przedmiotem trwających od kilkudziesięciu lat badań, które miały na celu ujawnienie, jak szybkie zmiany ewolucyjne mogą nastąpić, gdy są napędzane różnorodnością genetyczną i presją środowiskową.
W 1988 roku archipelag Koster, skupisko wysp u zachodniego wybrzeża Szwecji w pobliżu Norwegii, nawiedził szczególnie gęsty zakwit toksycznych glonów, dziesiątkując populację ślimaków morskich. Można się zastanawiać, dlaczego los ślimaków na maleńkiej skale o powierzchni trzech metrów kwadratowych na otwartym morzu miałby mieć znaczenie. Jednak to wydarzenie stworzyłoby wyjątkową okazję do przewidzenia i zobaczenia ewolucji rozgrywającej się na naszych oczach.
Wcześniej wyspy i ich małe szkiery międzypływowe – skaliste wysepki – zamieszkiwały gęste i różnorodne populacje ślimaka morskiego gatunek Littorina saxatilis. Chociaż populacje ślimaków na większych wyspach – z których część spadła do mniej niż 1% – odbiły się w ciągu dwóch do czterech lat, kilka szkierów z trudem odbudowało się po dewastacji.
Rozpoczyna się przełomowy eksperyment
Ekolog morski Kerstin Johannesson z Uniwersytetu w Göteborgu w Szwecji dostrzegła wyjątkową szansę. W 1992 roku przedstawiła się ponownie L. saxatilis ślimaki do utraconego siedliska w szkierach – rozpoczynając eksperyment, który ponad 30 lat później będzie miał dalekosiężne implikacje. Umożliwiło to międzynarodową współpracę pod przewodnictwem naukowców z Instytutu Nauki i Technologii w Austrii (ISTA), Uniwersytetu Nord w Norwegii, Uniwersytetu w Göteborgu w Szwecji i Uniwersytetu w Sheffield w Wielkiej Brytanii przewidywanie ewolucji i obserwowanie jej przebiegu.
L. saxatilis to pospolity gatunek ślimaków morskich występujący na wybrzeżach północnego Atlantyku, gdzie w różnych populacjach wykształciły się cechy dostosowane do ich środowiska. Cechy te obejmują rozmiar, kształt muszli, kolor muszli i zachowanie. Różnice między tymi cechami są szczególnie uderzające między tak zwanym ekotypem Kraba i Fali. Ślimaki te ewoluowały wielokrotnie w różnych miejscach, albo w środowiskach narażonych na ataki krabów, albo na skałach narażonych na działanie fal, z dala od krabów. Ślimaki falowe są zazwyczaj małe, mają cienką skorupę o określonych kolorach i wzorach, duży i zaokrąglony otwór oraz odważne zachowanie. Z kolei ślimaki krabowe są uderzająco większe, mają grubszą muszlę bez wzorów oraz mniejszy i bardziej wydłużony otwór. Ślimaki krabowe zachowują się również ostrożniej w środowisku zdominowanym przez drapieżniki.
Szwedzki archipelag Koster jest domem dla tych dwóch różnych L. saxatilis rodzaje ślimaków, często sąsiadujące ze sobą na tej samej wyspie lub oddalone od siebie jedynie o kilkaset metrów drogą morską. Przed toksycznym zakwitem glonów w 1988 r. ślimaki falowe zamieszkiwały szkiery, podczas gdy pobliskie brzegi były domem zarówno dla ślimaków krabowych, jak i falowych. Ta bliskość przestrzenna okazałaby się kluczowa.
Odkrywanie na nowo cech ewolucyjnych
Widząc, że populacja ślimaków falowych w szkierach została całkowicie wytępiona z powodu toksycznych glonów, Johannesson w 1992 roku zdecydował się ponownie wprowadzić ślimaki do jednego z tych szkierów, ale o ekotypie kraba. Spodziewała się, że w ciągu jednego lub dwóch pokoleń każdego roku ślimaki krabowe przystosują się do nowego środowiska na oczach naukowców. „Nasi koledzy zaobserwowali dowody adaptacji ślimaków już w pierwszej dekadzie eksperymentu” – mówi Diego Garcia Castillo, absolwent Barton Group w ISTA I jeden z autorów kierujących badaniem. „W ciągu 30 lat trwania eksperymentu byliśmy w stanie dokładnie przewidzieć, jak będą wyglądać ślimaki i które regiony genetyczne będą w to zaangażowane. Transformacja była szybka i dramatyczna” – dodaje.
Jednakże ślimaki nie wykształciły tych cech całkowicie od zera. Współautorka do korespondencji Anja Marie Westram, była doktorantka w ISTA, a obecnie badaczka na Uniwersytecie Nord, wyjaśnia: „Część różnorodności genetycznej była już dostępna w początkowej populacji krabów, ale występowała rzadko. Dzieje się tak dlatego, że gatunek ten doświadczył podobnych warunków w niedawnej przeszłości. Dostęp ślimaków do dużej puli genów napędzał tę szybką ewolucję”.
Różnorodność genetyczna i zmiany ewolucyjne
Na przestrzeni lat trwania eksperymentu zespół zbadał trzy aspekty: fenotyp ślimaków, indywidualną zmienność genów i większe zmiany genetyczne wpływające na całe regiony chromosomów, zwane „inwersjami chromosomów”.
W ciągu pierwszych kilku pokoleń badacze byli świadkami interesującego zjawiska zwanego „plastycznością fenotypową”: wkrótce po przeszczepieniu ślimaki zmodyfikowały swój kształt, aby dostosować się do nowego środowiska. Ale populacja również szybko zaczęła zmieniać się genetycznie. Naukowcy byli w stanie przewidzieć zakres i kierunek zmian genetycznych, szczególnie w przypadku inwersji chromosomów. Wykazali, że szybka i dramatyczna transformacja ślimaków była prawdopodobnie spowodowana dwoma uzupełniającymi się procesami: szybką selekcją cech już występujących z niską częstotliwością w przeszczepionej populacji ślimaków krabowych oraz przepływem genów od sąsiednich ślimaków falowych, które mogły po prostu przepłynąć tratwą na odległość ponad 160 metrów dotrzeć do szkiera.
Ewolucja w obliczu presji środowiskowych
Teoretycznie naukowcy wiedzą, że gatunek o wystarczająco dużej zmienności genetycznej może szybciej przystosować się do zmian. Jednak niewiele badań miało na celu eksperymentowanie z ewolucją w czasie na wolności. „Ta praca pozwala nam przyjrzeć się bliżej powtarzającej się ewolucji i przewidzieć, w jaki sposób w populacji mogą rozwinąć się cechy, które ewoluowały oddzielnie w przeszłości w podobnych warunkach” – mówi Garcia Castillo.
Zespół chce teraz dowiedzieć się, w jaki sposób gatunki mogą przystosować się do współczesnych wyzwań środowiskowych, takich jak zanieczyszczenie i zmiany klimatyczne. „Nie wszystkie gatunki mają dostęp do dużych pul genów, a rozwijanie nowych cech od podstaw jest żmudnie powolne. Adaptacja jest bardzo złożona, a nasza planeta również stoi w obliczu złożonych zmian związanych z ekstremalnymi warunkami pogodowymi, szybko postępującymi zmianami klimatycznymi, zanieczyszczeniami i nowymi pasożytami” – mówi Westram. Ma nadzieję, że ta praca będzie motorem dalszych badań nad utrzymaniem gatunków o dużych i zróżnicowanych genach. „Być może te badania pomogą przekonać ludzi do ochrony szeregu siedlisk przyrodniczych, aby gatunki nie utraciły swojej zmienności genetycznej” – podsumowuje Westram.
Obecnie ślimaki, które Johannesson sprowadził do szkiru w 1992 r., osiągnęły liczebną populację liczącą około 1000 osobników.
Odniesienie: „Przewidywanie szybkiej adaptacji w czasie na podstawie adaptacji w przestrzeni: 30-letni eksperyment polowy na ślimakach morskich” 11 października 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp2102
