Genele ALX1 și HMGA2 determină forma și mărimea ciocului în cintezele lui Darwin; Scrierile Sankore;
La 27 decembrie 1831, Charles Darwin (22 de ani) și-a început turneul mondial cu nava de cercetare și cercetare HMS1 Beagle. Mica brigadă începe de la Plymouth în Anglia și ar trebui să studieze coastele Americii de Sud și să se întoarcă în Anglia prin Australia și Africa. Călătoria durează cinci ani, timp în care Darwin colectează multe animale din diferite regiuni ale lumii. În perioada 15 septembrie - 20 octombrie 1835, HMS Beagle se afla în largul Ecuadorului în Insulele Galápagos. Printre păsările împușcate pe aceste insule se numără 31 de exemplare de cinteze Galápagos, numite mai târziu cintezele lui Darwin.
Înapoi în Anglia, Darwin pleacă să sorteze colecțiile de animale pe care le-a adunat în călătorie și își pune mereu aceeași întrebare: Animalele care arată ușor diferit sunt doar o chestiune de variații ale unei populații sau de specii diferite? Ce face ca acest tip de diversitate să apară? Cum se susține din generație în generație? Darwin s-a luptat cu această enigmă toată viața, dar în ciuda eforturilor sale, nu a găsit niciodată răspunsul.
Uneori aceste abateri pot fi împărțite în clase - la asta se referă biologii drept polimorfism (în greacă „diversitate”). Cunoaștem polimorfisme determinate genetic din experimentele lui Mendel cu mazăre. Unele plante de mazăre aveau flori albe, unele roșii, unele semințe de mazăre erau verzi, altele galbene, unele semințe de mazăre erau rotunde, altele ridate.
Darwin și Mendel erau contemporani, dar nu erau în schimb științific între ei. Cartea lui Darwin, Diferitele forme de flori pe plante din aceleași specii, ar fi putut, de asemenea, să ducă la descoperirea făcută de Mendel. Dar Darwin și-a îndreptat atenția către altceva: variația trăsăturilor cantitative se afla în centrul teoriei evoluției lui Darwin, iar variația cantitativă este ultimul loc în care moștenirea mendeliană ar fi văzută în formă pură [1]. În plus, inițial nu a fost clar cum selecția naturală a dus la o schimbare continuă a unei caracteristici cantitative precum B. poate provoca dimensiunea unei plante de mazăre dacă factorii genetici conform lui Mendels - descoperiți în polimorfisme - sunt unități discrete. Ronald Fisher a reușit să rezolve această contradicție aparentă în 1918 arătând că interacțiunea multor gene are ca rezultat tocmai acele schimbări continue care sunt observate în natură.
Astăzi, genetica este mult mai avansată decât era pe vremea lui Mendel și face parte integrantă din cercetările evolutive. Prin urmare, geneticienii evolutivi încearcă polimorfisme precum B. forma ciocului și variațiile caracteristice cantitative, cum ar fi dimensiunea ciocului, pe care selecția naturală o poate folosi pentru a găsi gene.
Forma și dimensiunea ciocului sunt adaptări pentru hărțile lui Finwin. În biologia evoluției, adaptarea înseamnă adaptarea determinată genetic care a apărut datorită mutațiilor și selecției naturale. Celulele specifice ale creastei neuronale, care migrează către craniu în timpul dezvoltării embrionare, sunt responsabile pentru forma și mărimea ciocului. Înainte nu se știa ce gene joacă un rol în forma și dimensiunea unui cioc. Prin urmare, Leif Andersson de la Universitatea Uppsala din Suedia și echipa sa de cercetare au căutat gene din genul Geospiza din Insulele Galápagos care sunt responsabile de variația ereditară a formei ciocului [2].
Pentru a face acest lucru, au comparat secvențele ADN ale cintezelor solului cu un cioc contondent cu cele cu un cioc ascuțit de-a lungul genomului. Oamenii de știință au examinat trei hărți de bază de cinteze și patru populații de cinteze de bază:
Geneticienii au descoperit majoritatea diferențelor în secvențele ADN din gena ALX1 (ALX homeobox 1). Gena ALX12 codifică o proteină necesară pentru dezvoltarea normală a craniului și a feței la vertebrate. Mutațiile care inactivează gena ALX1 provoacă displazie frontonasală umană, o tulburare specifică a dezvoltării embrionare care duce la malformații ale nasului, frunții și ochilor. Gena ALX1 este probabil activă și în celulele creastei neuronale care sunt responsabile de formarea ciocului.
Proteina ALX1 este un factor de transcripție. Factorii de transcripție sunt proteine reglatoare care leagă secvențe specifice din ADN pentru a promova sau a suprima expresia genelor. Prin urmare, pot fi fie activatori care „activează” expresia genică, fie represori care „dezactivează” expresia genică. În special, factorul de transcripție ALX1 controlează activitatea genelor care reglează creșterea și diviziunea celulară (proliferarea) și mișcarea celulară (migrarea). În timpul dezvoltării embrionare, aceste gene se asigură că celulele cresc și nu mai cresc în anumite momente și că sunt poziționate corect în corp.
Geneticienii au găsit două variante, așa-numitele alele, ale genei ALX1 în cintezele solului. Alela B (b = contondentă) duce la ciocuri contondente, alela P (p = ascuțită) către ascuțită. Marea majoritate a genelor există de două ori în celulele corpului cintezelor solului. O genă maternă și o genă paternă. Solicitați mamei și tatălui aceeași alelă (adică aceeași variantă a unei gene) descendenților, de ex. De exemplu, în gena ALX1, ambele alele B, descendenții sunt homozigoti pentru gena ALX1. Dacă alelele diferă este z. B. alela maternă B și alela paternă P, descendenții sunt heterozigoți pentru gena ALX1.
Aproape toți cintezele solului examinați în populațiile cu cioc bont (cintezele solide mari și ciupercile solide de pe insulă Española) au fost homozigoți pentru alela B. Aproape toți cintezii soleni examinați la populațiile cu cioc ascuțit pe insula Lup) au fost homozigote pentru alela P. Alelele B și P sunt alele fixe în aceste populații de cinteze de bază. O alelă fixă este o alelă care este singura variantă care există pentru acea genă în întreaga populație. Toate animalele din populație sunt homozigote pentru alela fixă.
Este deosebit de interesant faptul că gena ALX1 din cinteza mediană (Geospiza fortis) este polimorfă. Geneticienii se referă la o genă drept polimorfă dacă există alele multiple pentru genă într-o populație. Observațiile pe teren au arătat că această specie are și o varietate de forme de cioc. Cintezii omozigoti PP au avut tendința de a avea ciocuri relativ lungi, ascuțite, homozigoții BB au avut ciocuri relativ adânci, contondente, în timp ce heterozigoții BP au avut ciocuri de dimensiuni medii.
„Rezultatul cel mai interesant și semnificativ a fost acela că variația genetică a genei ALX1 este legată de variația formei ciocului nu numai între speciile de ciuperci Darwin, ci și între indivizii unei specii, cintezele de la mijloc”, explică Leif Andersson, cine a dirijat studiul.
Deplasarea ecologică a caracteristicilor
Deplasarea ecologică a caracteristicilor este despre cât de mari sunt diferențele de caracteristici, cum ar fi B. diferența de mărime a ciocului între două specii similare în habitate diferite. Într-un habitat în care o specie se găsește singură, aceasta este asemănătoare exterior cu celelalte specii, deoarece diferențele de caracteristici sunt destul de mici. Specia poate fi chiar foarte dificil de distins între ele. Într-un habitat în care cele două specii apar împreună, cele două specii sunt exterioare destul de diferite, deoarece diferențele de caracteristici sunt mari. Prin urmare, cele două tipuri sunt mai ușor de distins între ele în zona suprapunerii.
Pentru a explica acest fenomen, biologii evolutivi William Louis Brown Jr. și Edward Osborne Wilson au dezvoltat teoria deplasării caracteristicilor ecologice în 1956 [3]. Ideea din spatele acestei teorii este foarte simplă: să presupunem că două specii foarte similare intră în contact. Dacă resursele sunt limitate, speciile vor concura puternic și un posibil rezultat este excluderea: concurentul mai bine adaptat va supraviețui și concurentul mai puțin adaptat va dispărea. Dar o posibilitate alternativă este aceea că selecția naturală în fiecare specie favorizează acei indivizi a căror variantă caracteristică, de ex. B. dimensiunea ciocului le permite să utilizeze resurse care nu sunt folosite de membrii celorlalte specii. Rezultatul poate fi că speciile încep să divergă în ceea ce privește fenotipul și utilizarea resurselor (de aici și termenul de deplasare), reducând concurența resurselor și permițând coexistența.
Echipa de cercetători a lui Leif Andersson a observat o deplasare ecologică a trăsăturilor în cintezele solului de pe insula Galapagos Daphne Major și a identificat gena asociată [4]. Pe Daphne Major, cintezul de la mijloc (Geospiza fortis) și marele cinteză (Geospiza magnirostris) împărtășesc un habitat și se hrănesc cu semințe. Între 2004 și 2005 a existat o secetă majoră și aprovizionarea cu semințe mari a devenit redusă. Cintezele de la mijloc cu ciocuri mari erau acum dezavantajate în comparație cu cintezele mari și au dispărut. Ca rezultat, dimensiunea medie a ciocului la populația de cintezi de la mijlocul scăzut brusc de-a lungul generațiilor.
Geneticienii au comparat secvențele ADN ale cintezelor din mijlocul mediului care au supraviețuit secetei cu cele ale cintezelor din mijlocul mediului care au murit în timpul secetei. Au descoperit majoritatea diferențelor în gena HMGA2 (AT-hook 2 cu mobilitate ridicată). Gena a fost prezentă în două alele, L și S. Cintezele de la mijlocul pământului cu facturi mari au fost homozigote pentru alela L (l = mare). Cintezele de la mijloc cu un cioc mic au fost homozigote pentru alela S (s = mică).
Așa cum era de așteptat, proporțional mai mulți indivizi SS (cu ciocuri mici) au supraviețuit secetei, în timp ce proporțional mai mulți indivizi LL (cu ciocuri mari) au murit. Indivizii heterozigoți LS au prezentat proporțional o rată medie de supraviețuire, care vorbește pentru un efect genetic aditiv.
HMGA2 este o proteină asociată cromatinei care pare să nu aibă activitate transcripțională intrinsecă, dar potențează efectele altor factori de transcripție. „Proteina HMGA2 modifică expresia genelor, dar mecanismul exact prin care controlează mărimea ciocului în cintezele lui Darwin este necunoscut”, a spus Leif Andersson.
notă de subsol
1. HMS înseamnă „Nava Majestății Sale”. Călătoria duce peste Insulele Capului Verde, de-a lungul coastei de est și de vest a Americii de Sud, către Insulele Galápagos, spre Tahiti, Noua Zeelandă, Tasmania, Mauritius, Cape Town, din nou America de Sud și peste Azore înapoi în Anglia.