Evoluţia în acţiune: de la modificarea genelor la apariţia de noi specii

Mai întotdeauna când oamenii se gândesc la evoluţie, ei se gândesc la ideea lui Charles Darwin privind selecţia naturală, unde un tip de organism evoluează într-un fel foarte diferit, pe perioade lungi de timp: cum ar fi transformarea peştilor în animalele terestre, sau a primatelor timpurii în oameni. Însă pentru oamenii de ştiinţă evoluţia înseamnă ceva mai subtil: o schimbare în frecvenţa variantelor genetice (secvenţe de ADN care variază între indivizi) în cadrul unei populaţii. şi – într-un alt contrast cu ideea populară a evoluţiei – astfel de schimbări sunt determinate de mulţi factori, nu doar de selecţia naturală: mutaţiile, migraţia şi întâmplarea sunt toate mecanisme de modificare evolutivă.

O anume problemă a devenit foarte controversată în acest domeniu: care sunt procesele de evoluţie ce conduc la apariţia de specii noi, şi dacă sunt ele diferite de cele care au loc în cadrul unei specii sau al unei populaţii? În articolul de faţă vom analiza aceste întrebări folosind informaţii atât din genetica teoretică cât şi din istoria fosilelor. Genetica singură nu poate explica evoluţia speciilor care au dispărut de mult, astfel încât oamenii de ştiinţă se bazează pe fosile pentru a obţine imagini ale evoluţiei de odinioară. Însă ei pot recurge la a compara ADN-ul unor verişorii supravieţuitori ai speciilor dispărute.

De ce apar noile specii?

Se pare că există cel puţin o condiţie necesară pentru a apărea noi specii: un anumit grad de separare între populaţiile (grupurile de indivizi ale) unei specii existente. Aceasta poate fi o separare fizică – o barieră geografică, precum un lanţ muntos, sau izolarea pe o insulă –, sau poate fi ecologică, cum ar fi o dietă diferită sau o alteraţie în preferinţele de împerechere. Iar peste timp, modificările ADN-ului în diferitele populaţii vor face în cele din urmă dificil sau imposibil ca populaţiile separate să se mai poată împerechea încrucişat: ele vor fi devenit specii diferite.

Sunt abundente cazurile acestui fenomen. De exemplu, atunci când grupuri de muşte de fructe sunt adăpostite în incinte diferite în laborator, muşte aparţinând de grupuri diferite ajung să nu mai fie capabile să se împerecheze sau să producă descendenţi. Exemplul darwinian ultimativ de speciaţie (divizarea unei specii în mai multe) îl constituie cintezele din Insulele Galapagos, descris de Darwin în 'Călătoria pe Beagle'. În acest caz, separaţia atât prin dietă cât şi prin locaţia insulei a condus la apariţia de specii diferite, cu o varietate a formelor de cioc reflectând adaptări la diete distincte. (fig.) Acum ştim că această varietate anatomică este oglindită la nivel genetic prin schimbări în genele responsabile de forma ciocului. Dar ce fel de modificări genetice conduc în cele din urmă la o divizare a speciei, ca la cintezele lui Darwin? Cercetările actuale din domeniu scot la lumină această întrebare, permiţând oamenilor de ştiinţă să urmărească modificările genetice derulate pe parcurs.

Zona hibridă

Pe durata ultimei glaciaţiuni, multe populaţii de animale din Europa au devenit separate geografic atunci când s-au refugiat în diferite regiuni mai calde (cum ar fi Spania de astăzi şi peninsula Balcanică). Dar când gheţarii s-au topit, în urmă cu aproximativ 10000 de ani, populaţiile de specii care fuseseră separate mult timp au reintrat în contact, deoarece acum puteau să îşi părăsească refugiile şi să repopuleze continentul. Dar miile de ani petrecuţi în izolare au făcut ca populaţii distincte să dobândească şi câteva variante genetice specifice, ceea ce a dus la dificultăţi de împrechere încrucişată când populaţiile s-au reîntâlnit.

De exemplu, după ce populaţiile europene de cioară (Corvus corone) s-au separat în timpul ultimei glaciaţiuni, au apărut două tipuri vizibil diferite: cioara neagră (Corvus corone corone) în vest, şi cioara gri, stăncuţa (Corvus corone cornix) în est. Astăzi, în 'zona hibridă' – o fâşie de pământ ce se întinde din Scandinavia până în Italia, unde se întâlnesc ambele tipuri de ciori – cele două specii pot să se împerecheze încrucişat şi să producă urmaşi, însă cu un succes mai mic decât în propriile lor populaţii. Analizând genomul ciorilor din zona hibridă şi comparându-l cu genomul ciorilor din regiunile originare, oamenii de ştiinţă au reuşit să identifice secvenţe de ADN care nu se deplasează cu uşurinţă în zona hibridă. Aceste fragmente de genom – specifice unei singure populaţii (fie ciori negre, fie ciori gri) şi care sunt foarte rar găsite în cealaltă populaţie – sunt cheia pentru apariţia de specii noi. În acest caz, genele responsabile pentru diferenţele de penaj au cele mai puţine şanse să treacă prin zona hibridă. Acest lucru sugerează categoric că ciorile negre preferă să se împerecheze cu ciori negre ci nu cu cele gri, şi invers. Iar dacă procesul continuă, cele două grupuri probabil că vor deveni în cele din urmă specii complet separate.

 

Procesele moleculare şi demografice care au loc în cazul ciorilor (sau la cintezele lui Darwin), pe care oamenii de ştiinţă le studiază de zeci de ani, evidenţiază natura universală a proceselor evoluţionare. În mod fundamental, aceste procese nu diferă de cele care apar în microorganisme – aşa cum s-a întâmplat când virusul Ebola a evoluat într-o tulpină mai infecţioasă (vezi Bryk, 2017). Principalul factor care separă aceste exemple este timpul: gradul de modificare genetică petrecut în Ebola de-a lungul câtorva ani a necesitat mii de ani în cazul păsărilor, reflectând timpul lor de generare mult mai lung. Însă în fiecare caz, când organismul se adaptează la medii noi sau la schimbări genetice aleatorii, rezultul este că diferitele populaţii devin din ce în ce mai distincte. În cazul ciorilor sau al cintezelor, acest lucru duce în final la o izolare reproductivă completă – şi deci la o nouă specie.

De la dinozauri la păsări – şi înapoi

Dar ce putem spune despre apariţia de tipuri de organisme complet noi – cum ar fi evoluţia balenelor din strămoşii lor tereştri, sau a păsărilor din strămoşii lor dinozaurieni? Cum putem urmări şi înţelege astfel de schimbări majore în viaţa de pe Pământ, schimbări care sunt mult mai mari decât cele care au dus la apariţia de specii derivate?

Principala provocare în urmărirea unei astfel de evoluţii este aceea că ea are loc într-o perioadă extrem de lungă, astfel încât cele mai multe organisme de strămoşi sunt dispărute. Cu toate acestea, fosilele pot rezista sute de milioane de ani şi pot furniza informaţii detaliate despre schimbările anatomice derulate în aceste imense perioade de timp. În ultimele decenii, mii de specimene fosile bine conservate au fost descoperite în nord-estul Chinei, şi ele au luminat în detaliu evoluţia păsărilor din dinozauri. De exemplu, acum ştim că dinozaurii aveau pene cu mult timp înainte de a exista păsări capabile să zboare, sugerând că rolul iniţial al penelor nu era zborul. Termo-izolarea, camuflajul şi etalarea sunt toate posibile avantaje alternative pe care penele le-au acordat acestor reptile timpurii (Foth et al., 2014; Zhou, 2014).

Similar, păsările zburătoare nu au apărut brusc şi în mod complet. Urmărind diferitele aspecte ale anatomiei necesare pentru zborul cu aripi – corp mic, aripi, pene, coadă unitară, iadeş, şi multe altele – s-a constatat că planul complet al corpului de pasăre zburătoare a apărut treptat de-a lungul a 100 de milioane de ani. Odată ce acest plan a fost complet, păsările au suportat şi o divergenţă masivă şi rapidă spre o mare varietate de forme distincte, rezultând în cele aproape 10000 de specii cunoscute astăzi (Brusatte, 2015).

Evoluţia păsărilor din dinozauri a fost deci un proces continuu, fără schimbări bruşte. S-a spus că dacă un paleontolog apt să călătorească în timp s-ar întoarce să urmărească evoluţia păsărilor în cei peste 100 de milioane de ani, nu ar observa niciun moment sau eveniment special despre care să poată spune cu certitudine unde se opresc dinozaurii şi unde încep păsările. Mulţumită în mare parte descoperirilor fosile din China, ultimele două decenii au furnizat o schimbare în înţelegerea noastră privind evoluţiei păsărilor, astfel încât originea păsărilor este acum plasată cert în dinozaurieni, făcând ca găina să fie un văr îndepărtat al lui Tyrannosaurus rex. Mai mult, T. rex este de acum văzut ca fiind mai înrudit cu găina decât cu multe alte specii de dinozauri – precum Triceratops.

Doar evoluţie

Astfel de schimbări evolutive peste nivelul speciilor sunt uneori numite 'macroevoluţie', spre deosebire de modificările genetice pe care le putem observa în interiorul unei specii (referite uneori ca 'microevoluţie'). Din nefericire, această dihotomie sugerează că ar exista două tipuri diferite de evoluţie, sau că evoluţia ar fi determinată de mecanisme diferite la nivelurile 'micro' şi 'macro'. Această distincţie este adesea exploatată de cei care nu acceptă evoluţionismul, şi care susţin că numai 'microevoluţia' are sens. Însă dihotomia este falsă, deoarece nu există alte mecanisme decât cele care modifică proporţia de variante genetice dintr-o populaţie. Există doar evoluţie, determinată de mutaţie, de migraţie, de selecţie, de şansă.

Dedicaţia autorului

Acesta este ultimul dintr-o serie de trei articole pe care aş vrea să le dedicăm doctorului Dean Madden (1960-2017), care la sfârşitul anului 2016 m-a îndemnat să scriu despre evoluţie în revista 'Ştiinţa în şcoală'. Dean ne-a fost prieten, mentor, coleg, profesor, designer, tipograf, apicultor, producator de cidru, crescător de ardei iute, iubitor de reggae skinhead, poliţist de gramatică, utilizator de Apple, Whovian, un strălucit om de ştiinţă nebun şi partener de năzbâtii. Rămas bun, şi mulţumesc pentru toţi peştii!

Nota redactorului: Dr. Dean Madden a fost un susţinător entuziast al revistei 'Ştiinţa în şcoală' încă de la concepţia ei, dar şi membru al comitetului editorial din 2005 până la moartea sa, în 2017.