Η εξέλιξη της αποικίας μελισσών και η εισβολή είδους

Σε εξελικτικούς όρους, κάθε χωροκατακτητικό είδος είναι εξαιρετικό. Βγάλτε έναν οργανισμό από τον εγγενή βιότοπό του που έχει εξελιχθεί ειδικά για να επιβιώσει σε περισσότερα από εκατομμύρια και εκατομμύρια χρόνια, οργώστε τον σε ένα νέο μέρος και –κατά τύχη– ανθίζει. Επιπρόσθετα στη θαυματουργία: Τα χωροκατακτητικά είδη φτάνουν συχνά στα νέα τους περιβάλλοντα σε αρχικά μικρούς αριθμούς, φέροντας πολύ λιγότερη γενετική ποικιλότητα από ό,τι έχουν στο εύρος της πατρίδας τους. Η πτώση της γενετικής ποικιλότητας, που ονομάζεται «γενετική συμφόρηση», σημαίνει λιγότερες δυνατότητες προσαρμοστικότητας και ευελιξίας ενόψει των προκλήσεων.

Αυτό είναι το

γενετικό παράδοξο εισβολής

; μικρές, γενετικά ομοιογενείς ομάδες οργανισμών, που λαμβάνονται μακριά από το σπίτι, μπορούν ακόμα να γίνουν διάχυτα παράσιτα. Για παράδειγμα, η περίφημη περίπτωση των φρύνων από ζαχαροκάλαμο, που μεταφέρθηκαν στην Αυστραλία για να προσπαθήσουν να ελέγξουν τα έντομα που τρώνε καλλιέργειες ζαχαροκάλαμου, έγινε γρήγορα μια ολοένα και διευρυνόμενη απειλή από μόνη της.

Σαφώς, πολλά χωροκατακτητικά είδη καταφέρνουν να ευδοκιμήσουν παρά τα εξελικτικά εμπόδια και οι φρύνοι από ζαχαροκάλαμο δεν είναι οι μόνοι που παρεμποδίζουν το οικοσύστημα. Νέα έρευνα για μια τρομακτική περιβαλλοντική απειλή προσφέρει κάποια εικόνα για το πώς και το γιατί.

Εκπληκτική επιλογή

Σε

μια μελέτη

δημοσιεύθηκε στις 29 Φεβρουαρίου στο περιοδικό

Τρέχουσα Βιολογία,

οι επιστήμονες κατέγραψαν την εξάπλωση των ασιατικών μελισσών (

Apis cerana

) στην Αυστραλία και ανέλυσε το γενετικό ταξίδι των επεμβατικών πληθυσμών. Διαπίστωσαν ότι οι δεκάδες χιλιάδες κυψέλες που βουίζουν τώρα σε όλη τη βορειοανατολική Αυστραλία πιθανότατα προέρχονται από μια αποικία μελισσών (μία βασίλισσα αναπαραγωγής και οι εργάτες της), που εισήχθη σε ένα λιμάνι του Κουίνσλαντ γύρω στο 2007. Παρά αυτό το ακραίο αρχικό γενετικό στενό, κατά τη διάρκεια μόλις Μετά από 10 χρόνια, τα έντομα άρχισαν να επαναδιαφοροποιούνται και να προσαρμόζονται στον ξένο βιότοπό τους μέσω της φυσικής επιλογής, σύμφωνα με την έρευνα. Μια βασίλισσα είχε αρκετή γενετική ποικιλότητα για να ξεκινήσει έναν ολόκληρο, βιώσιμο πληθυσμό. «Τα δεδομένα μας υποστηρίζουν την άποψη ότι τα γενετικά σημεία συμφόρησης μπορεί να έχουν μικρό αντίκτυπο στις δυνατότητες προσαρμογής», γράφουν οι συγγραφείς της μελέτης.

«Δεν περιμέναμε να βρούμε επιλογή», ​​λέει ο επικεφαλής ερευνητής

Καθλίν Δογαντζή

, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο York στο Τορόντο. Συνήθως, τα πρότυπα φυσικής επιλογής χρειάζονται πολύ χρόνο για να εμφανιστούν. «Η υπόθεση είναι ότι οι πληθυσμοί χρειάζονται πολύ περισσότερο χρόνο για να εγκλιματιστούν και να προσαρμοστούν σε ένα νέο περιβάλλον. Αλλά μπορέσαμε να δείξουμε ότι, σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα –μέσα σε αυτήν την περίοδο 10 ετών– ορισμένες περιοχές του γονιδιώματος συμβάλλουν στην αύξηση του πληθυσμού των μελισσών, εξηγεί.

«Παρά το γεγονός ότι έχουν πολύ μικρή γενετική ποικιλομορφία, αυτά τα έντομα κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν αυτό που έφεραν μαζί τους ως βάση για την προσαρμογή», ​​λέει ο συν-πρωτεύων συγγραφέας της μελέτης Amro Zayed, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Γιορκ.

Η μελέτη είναι «μια φανταστική ιστορία και απίστευτα διορατική», λέει ο Andrew Suarez, καθηγητής εντομολογίας στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις που μελετά τις βιολογικές εισβολές, αλλά δεν συμμετείχε στη νέα εργασία. Όχι μόνο ο Dogantzis, ο Amro και οι συνάδελφοί τους μπόρεσαν να ανακαλύψουν την εκπληκτική, πιθανή προέλευση των χωροκατακτητικών μελισσών, αλλά εξέτασαν επίσης ποιες, συγκεκριμένες, γενετικές αλλαγές υφίστανται τα έντομα στην Αυστραλία. Η επιλογή φαίνεται να δρα στα γονίδια των μελισσών που σχετίζονται με την κοινωνική δομή, την αναπαραγωγή και την αναζήτηση τροφής, σύμφωνα με τη μελέτη. Τα ευρήματα απεικονίζουν την εξέλιξη σε πραγματικό χρόνο, δείχνοντας σε τι είδους πιέσεις υπόκεινται οι μέλισσες στο εύρος που υιοθετήθηκε και πώς κατάφεραν να ανταποκριθούν. «Ήμουν ενθουσιασμένος που το είδα», προσθέτει ο Σουάρες.

Η προέλευση ενός χωροκατακτητικού είδους

Οι ασιατικές μέλισσες είναι εγγενείς σε μια ευρεία περιοχή της Ασίας, από το Αφγανιστάν μέχρι την Ιαπωνία. Στην εγχώρια σειρά τους είναι κρίσιμοι επικονιαστές και σημαντικό μέρος του οικολογικού ιστού. Αλλά στην Αυστραλία,

όπου οι μέλισσες δεν είναι ντόπιες

, μπορεί να ανταγωνίζονται με ιθαγενή έντομα, πτηνά και θηλαστικά για πόρους λουλουδιών και φωλιάζουν σε κοιλότητες δέντρων που διαφορετικά θα πρόσφεραν σημαντικό βιότοπο για αυτόχθονα είδη. Οι ασιατικές μέλισσες απειλούν επίσης τις διαχειριζόμενες από τον άνθρωπο κυψέλες των ευρωπαϊκών μελισσών που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της γεωργικής παραγωγής.

Ο πλησιέστερος γηγενής πληθυσμός στην Αυστραλία είναι στην Ινδονησία, αλλά άνθρωποι

έφερε τα έντομα

στη Νέα Γουινέα τη δεκαετία του 1970 για τους σκοπούς του μελιού και της γεωργίας. Και από εδώ προήλθε η αποικία που έφτασε στις ακτές του Κουίνσλαντ, σύμφωνα με τη νέα μελέτη. Οι ερευνητές συνέκριναν αλληλουχίες γονιδιώματος από τον γηγενή πληθυσμό της Ινδονησίας, τις εισαγόμενες αποικίες της Νέας Γουινέας και τις επεμβατικές αυστραλιανές κυψέλες και διαπίστωσαν ότι οι μέλισσες της Αυστραλίας και της Νέας Γουινέας ήταν ως επί το πλείστον στενά συγγενείς.

Μπονάντζα μελισσών

Από εκεί, οι Amro, Dogantzis και οι συν-ερευνητές τους εξέτασαν πώς άλλαζαν το σύνολο του γονιδιώματος των αυστραλιανών μελισσών κάθε χρόνο από το 2008 έως το 2018, καθώς ο αριθμός των εντόμων εξερράγη σε περίπου 10.000-50.000 αποικίες. Μέσω μιας ανάλυσης πολλαπλών σταδίων, εντόπισαν 481 μικροσκοπικές γενετικές παραλλαγές (γνωστές ως πολυμορφισμοί μεμονωμένων νουκλεοτιδίων ή SNPs) που θα μπορούσαν να έχουν μεγάλο αντίκτυπο στην επιβίωση των μελισσών και φαίνεται να υποβάλλονται σε θετική επιλογή. Με άλλα λόγια, αυτές οι 481 αλλαγές γονιδίων εξαπλώνονται στον πληθυσμό με ένα μη τυχαίο μοτίβο που υποδηλώνει ότι είναι ωφέλιμες για τις μέλισσες. 471 από αυτές τις παραλλαγές θα μπορούσαν να ανιχνευθούν στον πληθυσμό των μελισσών της Ινδονησίας ή της Νέας Γουινέας – υποδεικνύοντας ότι σχεδόν όλες αυτές οι προσαρμογές μεταφέρθηκαν από εκείνη την πρώτη αποικία στην Αυστραλία, ενώ μόνο μερικές θα μπορούσαν να είναι προϊόν νέων μεταλλάξεων.

Χρησιμοποιώντας το καλά μελετημένο γονιδίωμα της ευρωπαϊκής μέλισσας ως αναφορά, οι επιστήμονες μπόρεσαν να προβλέψουν τι κάνουν αυτά τα SNP. Διαπίστωσαν ότι αρκετά από τα γονίδια σχετίζονται με την αναπαραγωγή, την ανάπτυξη της κάστας των μελισσών και τη συμπεριφορά αναζήτησης τροφής – όλα τα χαρακτηριστικά που είναι πιθανό να είναι σημαντικά για την επιβίωση και τη διαχείριση ενός νέου περιβάλλοντος. «Ένα είδος μπορεί να προσαρμοστεί πολύ γρήγορα, ακόμα και όταν έχει χαθεί το μεγαλύτερο μέρος της γενετικής ποικιλότητας», λέει ο συν-ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

Ros Gloag

, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ. «Είναι επειδή η φυσική επιλογή βρίσκει

κάτι

να δουλεύεις, ακόμα και όταν η ποικιλομορφία είναι χαμηλή», προσθέτει.

Όρια και δυνατότητες

Υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί ως προς το πόσο ευρέως μπορούν ή πρέπει να προεκταθούν αυτά τα ευρήματα, μόνα τους. Πρώτον, «μπορούμε να παρατηρήσουμε εισβολές μόνο εάν είναι επιτυχείς», λέει ο Zayed – πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μια εγγενής προκατάληψη δεδομένων. Κανείς δεν ξέρει πόσες ασιατικές αποικίες μελισσών έφτασαν στην Αυστραλία πριν από αυτή που οδήγησε σε μια επιτυχημένη εισβολή. Έτσι, αν και είναι δυνατό για μια αποικία να πολλαπλασιαστεί και να διαφοροποιηθεί, σίγουρα δεν θα πρέπει να αποτελεί προσδοκία στις προσπάθειες διατήρησης, προσθέτει. Επιπλέον, οι μέλισσες και άλλα κοινωνικά έντομα έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα όταν πρόκειται για τον πληθυσμό νέων ενδιαιτημάτων. Οι βασίλισσες μπορούν να ζευγαρώσουν με πολλά αρσενικά και να αποθηκεύουν το σπέρμα τους, γεννώντας συνεχώς αυγά που αντανακλούν την ποικιλομορφία περισσότερων από μία πατρικών γραμμών. Οι μέλισσες και τα μυρμήγκια αναπαράγονται γρήγορα – μια βασίλισσα μπορεί να γεννήσει έως και χιλιάδες αυγά την ημέρα. Και η αποικιακή δομή σημαίνει ότι η συγκέντρωση πόρων και η άμυνα ενάντια στον κίνδυνο είναι ευκολότερη.

Στη συνέχεια, υπάρχουν εγγενή όρια στις γενετικές αναλύσεις των ερευνητών, λέει η Natalie Hofmeister, επίκουρη καθηγήτρια εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, η οποία δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. Η προσέγγιση μπορεί να ανιχνεύσει μοτίβα και να προτείνει πιθανούς συσχετισμούς, αλλά όχι να αποδείξει αιτίες γενετικής αλλαγής, εξηγεί. Ο Hofmeister σημειώνει περαιτέρω ότι οι μέθοδοι που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές δεν αναπτύχθηκαν για να παρακολουθήσουν ταχείες εξελικτικές αλλαγές και είναι πιθανό (αν και απίθανο) τα 481 SNP να μην ήταν αποτέλεσμα επιλογής.

Ωστόσο, «είναι μια κομψή μελέτη», λέει, που προσθέτει σε έναν αυξανόμενο όγκο έρευνας για την εξέλιξη των βιολογικών εισαγωγών και δημιουργεί πολλές μελλοντικές υποθέσεις που αξίζει να δοκιμαστούν. Για να προστατεύσουμε καλύτερα από μελλοντικές εισβολές ειδών και να κατανοήσουμε τι επιτρέπει σε ορισμένα ζώα να επιτύχουν έναντι άλλων, χρειαζόμαστε περισσότερη έρευνα όπως αυτή σε ταξινομήσεις, λέει ο Hofmeister.

Ο Σουάρες συμφωνεί. Η στρατηγική της εξέτασης ολόκληρων γονιδιωμάτων σε πολλαπλά χρονικά σημεία είναι «πραγματικά συναρπαστική», λέει. Αν και οι εισβολές ειδών έχουν πολλά περιβαλλοντικά μειονεκτήματα, το ασήμαντο είναι ότι παρουσιάζουν μοναδικές ευκαιρίες για τη μελέτη της εξέλιξης στη δράση. Κατά την άποψή του, η έρευνα ρίχνει φως στο πώς έχει εκτυλιχθεί μια συγκεκριμένη εισβολή εντόμου, αλλά επίσης ενισχύει την ευρύτερη κατανόησή μας για το τι είναι βιολογικά δυνατό και πώς να μετρήσουμε τον κίνδυνο μελλοντικών εισαγωγών ειδών – μια και μόνο αποικία μπορεί να τονώσει έναν ολόκληρο πληθυσμό. Η γνώση, λέει ο Suarez, θα μπορούσε ενδεχομένως να βοηθήσει τόσο εκείνους που προσπαθούν να ελέγξουν την εξάπλωση επιβλαβών ζώων όσο και τους οικολόγους που επιδιώκουν να σώσουν ζώα που απειλούνται με εξαφάνιση με πληθυσμούς που μειώνονται. «Υπάρχουν τόσα πολλά μαθήματα που μπορούμε να μάθουμε σε όλη τη βιολογία από αυτό το είδος προσέγγισης», λέει.