Badanie genomu ujawnia, w jaki sposób wężowidła przystosowały się do ekstremalnych warunków panujących w głębinach
Głębiny oceanów są najlepszym miejscem dla miłośników i poszukiwaczy najdziwniejszych form życia na Ziemi, które wymykają się próbom naukowych wyjaśnień. Gromady bezkręgowców nieustannie starają się przetrwać i rozwijać w ekstremalnym środowisku, gdzie nie dociera światło słoneczne, panują mroźne temperatury, a ciśnienie hydrostatyczne osiąga przerażające wręcz wartości. „Dna głębin oceanów są najsłabiej zbadanym ekosystemem na naszej planecie, pomimo że oceany pokrywają przeszło dwie trzecie jej powierzchni. Zrozumienie, w jaki sposób ten tajemniczy i obcy świat głębin morskich przystosowuje się do tak ekstremalnych warunków, stanowi jedną z największych zagadek ewolucji”, zauważa Alexandra-Weber, koordynatorka finansowanego przez Unię Europejską projektu DEEPADAPT, który otrzymał dofinansowanie w ramach programu działań „Maria Skłodowska-Curie”. „Co ciekawe, zaskakująco mało wiemy o molekularnych mechanizmach leżących u podstaw adaptacji zwierząt do życia w głębinach. Które geny biorą udział w procesie adaptacji? Jak wiele ich jest? W jakim stopniu występuje ewolucja zbieżna wśród spowinowaconych taksonów?”, pyta Weber.
Trudności w badaniu stworzeń w głębinach
Stypendystka działań „Maria Skłodowska-Curie” skupiła się w szczególności na wężowidłach należących do gatunku Ophiuroidea. Ta charakteryzująca się wyjątkowo urokliwym wyglądem grupa morskich bezkręgowców występuje powszechnie w głębinach oceanicznych, a jej przedstawiciele mają różne kształty, rozmiary i kolory. Zamieszkują niezwykle zróżnicowane siedliska w głębinach morskich, a w miejscach, w których występują, często zaskakuje ich ogromna liczebność wskazująca na doskonałe zdolności adaptacyjne. Pomimo dominacji w głębinach morskich badanie tych organizmów nastręcza wielu problemów badaczom. „Wszelkie badania obserwacyjne i doświadczalne przeprowadzane na głębokości 4 000 metrów pod poziomem morza naturalnie wiążą się z wieloma trudnościami. Co gorsza, kiedy organizmy głębinowe są wydobywane na powierzchnię, zwykle nie przeżywają zmian ciśnienia i temperatury”, wyjaśnia badaczka. Okazy pochodzące z kolekcji muzealnych pozwoliły rozwiązać ten problem, umożliwiając badaczce przeprowadzenie badań genomu i dokładnej analizy DNA wężowideł.
Nowe spojrzenie na genomikę ewolucyjną wężowideł
Projekt DEEPADAPT był w dużej mierze poświęcony rozszyfrowaniu molekularnych mechanizmów, dzięki którym wężowidła przystosowały się do życia w głębinach oceanów. Aby zbadać, w jaki sposób słabo spokrewnione rodziny wężowideł niezależnie ewoluowały w kierunku podobnych cech, Weber zbadała ewolucję molekularną blisko 400 genów zebranych z 700 różnych gatunków wężowideł. Wyniki jej badań wykazały, że biogeneza białek (w tym składanie i translacja) stanowi kluczowy mechanizm, który umożliwia adaptację do warunków panujących w głębinach. Dzięki sekwencjonowaniu całych genomów 80 gatunków wężowideł badaczka znalazła szereg wskazówek dotyczących czynników środowiskowych, biologicznych i genomowych, które wpływają na wielkość genomu. W szczególności udało jej się odkryć, że czynniki wynikające z historii życiowych organizmów głębinowych, takie jak długowieczność i powolny metabolizm, przyczyniają się w dużym stopniu do zwiększenia rozmiarów genomu. Co więcej, badaczce udało się także odkryć, że jednym z czynników wpływających na rozmiar genomu są zmiany w powtarzalnych sekwencjach, których kopie występują w całym genomie. Weber przeprowadziła także analizy całego genomu 120 okazów jednego z gatunków wężowideł – Ophiosphalma armigerum, aby na ich podstawie ustalić, w jaki sposób geny wpływają na ich lokalne przystosowanie. Okazy te pochodziły z różnych głębin z całego świata i zostały zebrane na głębokościach od 2 500 do 4 000 metrów pod poziomem morza. W ramach projektu DEEPADAPT udało się odkryć ślady izolacji reprodukcyjnej u morfologicznie identycznych wężowideł należących do różnych gatunków pochodzących z tego samego rejonu, lecz żyjących na różnych głębokościach. Co więcej, dalsze badania wykazały sygnatury hybrydyzacji u blisko spokrewnionych gatunków, co wskazuje, że mechanizmy izolacji reprodukcyjnej są postzygotyczne – zachodzą po połączeniu plemnika i komórki jajowej. „Wyniki tego projektu są niezwykle ważne z punktu widzenia biologii ewolucyjnej. Ponadto mogą rzucić nowe światło na to, w jaki sposób stworzenia zamieszkujące głębiny mórz i oceanów mogą poradzić sobie z postępującą zmianą klimatu”, podsumowuje Weber.
Słowa kluczowe
DEEPADAPT, wężowidła, głębiny, adaptacja, przystosowanie, sekwencjonowanie całego genomu, izolacja reprodukcyjna, ewolucja zbieżna
