Nowe badania pozwalają lepiej przyjrzeć się splecionym historiom ewolucyjnym niedźwiedzi polarnych i brunatnych.

Powstanie odrębnych gatunków nie powstrzymało tych zwierząt od kojarzenia się ze sobą. Naukowcy wiedzieli o tym od jakiegoś czasu, ale nowe badania wykorzystują rozszerzony zbiór danych – w tym DNA ze starożytnego zęba niedźwiedzia polarnego – aby wydobyć więcej szczegółów.

Historia, która się wyłania, ujawnia zawiłości podobne do tych, które komplikują historię ewolucji człowieka.

„Tworzenie i utrzymywanie gatunków może być procesem nieuporządkowanym” – mówi dr Charlotte Lindqvist, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych w University at Buffalo College of Arts and Sciences i ekspert w dziedzinie genetyki niedźwiedzi. „To, co działo się z niedźwiedziami polarnymi i brunatnymi, jest doskonałą analogią do tego, czego dowiadujemy się o ewolucji człowieka: że podział gatunków może być niekompletny. W miarę odzyskiwania coraz większej liczby genomów z dawnych populacji ludzkich, w tym neandertalczyków i denisowian, widzimy, że dochodziło do wielokierunkowego mieszania się genów, gdy różne grupy archaicznych ludzi łączyły się z przodkami współczesnych ludzi. Niedźwiedzie polarne i niedźwiedzie brunatne to kolejny system, w którym można to zaobserwować”.

„Znajdujemy dowody na krzyżowanie się niedźwiedzi polarnych i niedźwiedzi brunatnych, które poprzedzają badanego przez nas starożytnego niedźwiedzia polarnego” – mówi. „Co więcej, nasze wyniki pokazują skomplikowaną, przeplatającą się historię ewolucji wśród niedźwiedzi brunatnych i polarnych, z głównym kierunkiem przepływu genów z niedźwiedzi brunatnych do niedźwiedzi polarnych. Odwraca to hipotezę sugerowaną przez innych badaczy, że przepływ genów był jednokierunkowy i przechodził na niedźwiedzie brunatne w okolicach szczytu ostatniej epoki lodowcowej.”

Badanie zostanie opublikowane w tygodniu 6 czerwca w Proceedings of the National Academy of Sciences. Kierowali nim: Lindqvist z UB w USA; Luis Herrera-Estrella z Narodowego Laboratorium Genomiki dla Bioróżnorodności (LANGEBIO) w Meksyku i Texas Tech University w USA; oraz Kalle Leppälä z Uniwersytetu w Oulu w Finlandii. Dr Tianying Lan, były pracownik naukowy UB pracujący na stanowisku podoktorskim, obecnie w Daicel Arbor Biosciences, jest wraz z Leppälä współautorem pracy.

Koncepcja przejęcia przez przystosowane do życia w Arktyce niedźwiedzie polarne materiału genetycznego od niedźwiedzi brunatnych, które są przystosowane do życia w niższych szerokościach geograficznych, jest jednym z kilku odkryć, które mogą zainteresować naukowców zajmujących się wpływem zmian klimatu na zagrożone gatunki.

W miarę ocieplania się klimatu i zmniejszania się ilości arktycznego lodu morskiego, niedźwiedzie polarne i niedźwiedzie brunatne mogą się częściej spotykać w miejscach, gdzie ich zasięgi się pokrywają. To sprawia, że ich wspólna historia ewolucyjna jest szczególnie intrygującym przedmiotem badań – mówi Lindqvist.

Podział gatunków może być nieuporządkowanym procesem

Jak wyjaśnia Lindqvist, naukowcy sądzili kiedyś, że współcześni ludzie i neandertalczycy po prostu rozdzielili się na odrębne gatunki po wyewoluowaniu od wspólnego przodka. Następnie badacze znaleźli neandertalskie DNA u współczesnych mieszkańców Eurazji, co sugeruje, że współczesne populacje ludzkie otrzymały napływ genów od neandertalczyków w pewnym momencie ich wspólnej historii ewolucyjnej.

Dopiero później naukowcy zdali sobie sprawę, że to genetyczne przenikanie się uzupełniło również populacje neandertalczyków o geny współczesnych ludzi – dodaje Lindqvist. Innymi słowy, krzyżowanie może być złożone, a niekoniecznie jednokierunkowe.

Nowe badania nad niedźwiedziami ujawniają bardzo podobną historię: W analizie znaleziono dowody na hybrydyzację w genomach zarówno niedźwiedzi polarnych, jak i brunatnych, przy czym – jak twierdzą naukowcy – szczególnie niedźwiedzie polarne noszą wyraźne ślady napływu DNA od niedźwiedzi brunatnych. Wcześniejsze badania sugerowały jedynie odwrotny wzór, mówi Lindqvist.

„To fascynujące, jak DNA może pomóc ujawnić dawną historię życia. Kierunek przepływu genów jest trudniejszy do określenia niż sama jego obecność, ale te wzorce są niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób dawne adaptacje przeniosły się między gatunkami, nadając współczesnym zwierzętom ich obecne cechy” – mówi dr Leppälä, badacz podoktorski w jednostce badawczej nauk matematycznych na Uniwersytecie w Oulu.

„Genomika populacyjna jest coraz potężniejszym zestawem narzędzi do badania ewolucji roślin i zwierząt oraz wpływu działalności człowieka i zmian klimatycznych na zagrożone gatunki” – mówi dr Herrera-Estrella, profesor genomiki roślin i dyrektor Instytutu Genomiki Tolerancji Stresu Abiotycznego Roślin Uprawnych na Wydziale Nauk o Roślinach i Glebie Texas Tech. Jest on również emerytowanym profesorem w LANGEBIO. „Niedźwiedzie nie dają prostych historii o specjacji, tak samo jak ewolucja człowieka. Te nowe badania genomiczne sugerują, że grupy gatunków ssaków mogą ukrywać skomplikowane historie ewolucyjne.”

Dowody z genomów współczesnych niedźwiedzi — i DNA ze starożytnego zęba

W badaniu przeanalizowano genomy 64 współczesnych niedźwiedzi polarnych i brunatnych, w tym kilka nowych genomów z Alaski – stanu, w którym występują oba gatunki.

Zespół opracował również nowy, bardziej kompletny genom niedźwiedzia polarnego, który żył 115 000 do 130 000 lat temu na norweskim archipelagu Svalbard. DNA tego pradawnego niedźwiedzia polarnego zostało pobrane z zęba przymocowanego do kopalnej kości szczęki, która obecnie znajduje się w Muzeum Historii Naturalnej na Uniwersytecie w Oslo.

Korzystając z tego zestawu danych, naukowcy oszacowali, że niedźwiedzie polarne i niedźwiedzie brunatne zaczęły stawać się odrębnymi gatunkami około 1,3-1,6 mln lat temu, aktualizując wcześniejsze oceny dokonane przez tych samych naukowców. Jak twierdzi Lindqvist, wiek, w którym nastąpił rozłam, był i jest przedmiotem naukowej debaty, ponieważ wcześniejsze krzyżowanie się zwierząt i ograniczone dowody kopalne dotyczące pradawnych niedźwiedzi polarnych utrudniają określenie czasu.

W każdym razie: Po tym, jak niedźwiedzie polarne stały się swoim własnym gatunkiem, doświadczyły dramatycznego spadku populacji i długotrwałego wąskiego gardła genetycznego, przez co ich różnorodność genetyczna jest znacznie mniejsza niż niedźwiedzi brunatnych – podsumowuje nowe badanie. Wyniki potwierdzają wcześniejsze badania wskazujące na te same tendencje i stanowią dodatkowe dowody na poparcie tej hipotezy.

Wraz z analizą przepływu genów, wyniki te dostarczają nowych informacji na temat skomplikowanej, wzajemnie powiązanej historii ewolucji niedźwiedzi polarnych i brunatnych.

W skład międzynarodowego zespołu badawczego weszli naukowcy z UB, LANGEBIO, Texas Tech, University of Oulu, Far Northwestern Institute of Art and Science, Alaska Department of Fish and Game, Natural History Museum at the University of Oslo, Nanyang Technological University, University of Helsinki oraz Aarhus University.

Badania zostały sfinansowane przez National Fish and Wildlife Foundation, U.S. National Science Foundation, Alaska Department of Fish and Game oraz U.S. Geological Survey.

Źródło: University at Buffalo / Charlotte Hsu