Kivételesen Darwin-naphoz illő tartalommal lepünk meg benneteket kedves olvasók.
A blog születése óta az egyik legtöbbször visszatérő témánk – nem meglepő módon – az evolúcióbiológia egyik klasszikus, ikonikus témája, a galapagosi pintyek csőrének változása a szelekció hatására. Talán senki nem tett annyit azért, hogy ezt a már-már mitikus dolgot a modern evolúcióbiológia eszköztárával is megismerhessük, mint közel négy évtizedet átölelő munkássága során a Grant házaspár, Rosemary és Peter. Így aztán kapva kaptam az alkalmon, hogy tavaly decemberben, amikor Budapesten jártak, egy fél órára leüljek velük és a munkájukról kérdezgessem őket.
Az interjú hossza nem tette lehetővé, hogy a Grant házaspár munkájának minden egyes aspektusáról beszélgessünk, így pl. a Cliff Tabin-nel közös evodevos cikkek – lásd ezt és ezt a korábbi posztot -, vagy a Leif Anderssonnal közös genetikai térképezések – lásd ezt és ezt a posztot – is kimaradt, vagy csak rövid utalások vannak ezekre. A beszélgetés angol nyelven zajlott, de a SoundCloud box alatt egy magyar nyelvű átiratot is olvashattok.
Miért pont pintyekkel kezdtek foglalkozni?
Peter Grant: A fajkeletkezés a kezdetek óta izgatott minket, már akkor is amikor találkoztunk. Doktori munkám során a mexikói Tres Marías szigeteken élő madárfajokkal foglalkoztam. Ezt követően az evolúciós diverszifikáció fajképződés szempontjából igen fontos aspektusára koncentráltam, ez pedig a forrásokért való versengés. Már akkor is meg voltam arról győződve, hogy a versengésnek nagyon fontos szerepe van abban is, hogy egyes fajok fennmaradhatnak-e együtt egyes helyeken. Ezért egy évtizeden keresztül egerekkel dolgoztam, hogy ezt a versengés-hipotézist teszteljem bizonyos, a természetben megfigyelhető mintázat esetében. A munka sikeres volt, mert be tudtam bizonyítani, a táplálékért és helyért való versengés fontosságát kisméretű emlősökben. Ez vezetett vissza az eredeti kérdéshez, hogy miként alakulnak ki egyáltalán a fajok.
Több oka is volt, hogy miért a Galapagos szigeteket választottuk. Ezek a szigetek nem egyszerre, hanem fokozatosan jöttek létre. David Lack, aki tulajdonképpen az elődünk, hiszen egy generációval korábban kutatta ezeket a madarakat, egy 1947-ben megjelent könyvében írt arról, hogy a Galapagos szigetek ideálisak olyan kutatásokra, amelyek a múltbeli versengéseket, illetve a fajkeletkezést szeretnék feltárni, hiszen számos közeli rokon és hasonló niche-t elfoglaló fajt találhatunk rajtuk. Arra is kíváncsiak voltunk, hogy egyes populációkban miért nagyon erős bizonyos morfológiai karakterek, például a testméret varianciája, míg más populációkban mindez nem figyelhető meg. Szintén Lack könyve hívta fel rá a figyelmünket, hogy a Galapagos szigeteken pont ilyen pintyfajok élnek, amelyek egyik szigeten nagy, egy másikon pedig kis varianciát mutatnak. Ez a három tulajdonság – közelmúltbeli fajkeletkezés, erőforrásokért való versengés és morfológiai variancia – magyarázza, hogy miért végül a Darwin-pintyeket választottuk a munkánkhoz.
A Galapagos-szigetcsoport egyes szigetein lakó pintyfajok és filogenetikai fájuk. (A kép forrása: Nature.)
Rosemary Grant: Még annyit tennék hozzá, hogy a Galapagos azért is érdekes szigetcsoport, mert a szigetek többségén sosem lakott ember. Vagyis bármit találtunk, biztosak lehettünk benne, hogy annak természetes okai vannak. Fontos még kiemelni, hogy ezek a szigetek az Egyenlítőn találhatók és nagyon erős itt az El Niño hatás, ami sokat változhat az egyes évek között. Így évszakok helyett, itt igazából az egyes évek közt volt nagy különbség. Voltak évek, amikor rengeteg eső esett, amit szinte azonnal 1-2 évig tartó szárazság következett, amely során rengeteg madár elpusztult.
Amint ma már tudjuk, ez a kutatás igen sikeresnek bizonyult. Össze tudnák foglalni, hogy melyek lettek a főbb eredmények?
RG: A legfontosabb talán, hogy láthattuk miként hat a természetes szelekció egy olyan valóban vad közegben, amibe az ember nem nyúlt bele. És azt is megfigyelhettük, hogy erre a természetes szelekcióra milyen választ adott az evolúció. Korábban sokan azt hitték, hogy efajta megfigyelésekhez nagyon sok időre lenne szükség.
A másik fontos megfigyelésünk az egy karakter-eltolódáshoz (character displacement) köthető. Ebben ez esetben egyetlen nagyméretű madár megjelenése következtében egy szigeten őshonos rokon faj .. A nagy szárazság következtében, két közeli rokon, de eltérő méretű faj között verseny lépett fel és az egyik faj tulajdonképpen kiszorította másikat. A Geospiza fortis nagyméretű egyedei mind elpusztultak, mert a G. magnirostris egyedei sikeresebbek voltak a kemény tribulusz magokért folytatott versenyben. Így a szigeten a faj mérete lecsökkent. Ez olyan klasszikus karakter-eltolódási jelenség volt, amit soha senki nem tudott korábban dokumentálni a természetben egy madárfajon.
A harmadik érdekes megfigyelésünk a gén-keveredéss (gene-flow) jelenségéhez kötött, ami nagyon fontos lehet, még ha csak egy pár génről van is szó. Ennek két nagyon fontos következménye lett. Egyrészt változó ökológiai (környezeti) körülmények mellett introgressziónak köszönhetően két faj elkezdett összeolvadni és eggyé válni és az így létrejövő populáció Daphne szigetén nagyon eltért a más szigeteken megfigyelhető madaraktól. Másrészt egy nagyon szerencsés egyszeri eseménynek köszönhetően, egyetlen egyed megjelenése (ami a szigetcsoport egy nagyon távoli szigetén élő fajhoz tartozott) egy nagyon izgalmas új vonal megjelenését okozta introgresszió révén.
Az 1977-es szárazság eredményeként a Daphne Major szigeten a G. fortris populációja drámaian lecsökkent és mivel csak azok az egyedek tudtak életben maradni, akik a nagyobb, keményebb magokkal is meg tudtak bírkózni, az átlagos csőrméret jelentősen eltolódott.
Ha azonban két olyan fajról van szó, akik képesek szaporodni egymással, valóban két külön fajról van-e szó? Mit tekinthetünk akkor fajnak
PG: Ez igaz. Az egyik nagyon sokak által osztott nézet, hogy ha két populáció megpróbál szaporodni, de ez nem sikerül, mert az utódaik sterilek lesznek, vagy életképtelenek, akkor ez a két populáció két fajnak felel meg. Azaz, ha bármilyen ritkán is, de ezek a populációk képesek egymás közt géneket kicserélni, akkor tulajdonképpen egyetlen fajról van szó. Azt hiszem a többségi nézet jelenleg, hogy ez túl szigorú feltétel. Sokkal hasznosabb faj-fogalom, ha olyan populációkra gondolunk, amelyek általában nem keresztezik egymás útjait, nem szaporodnak egymással és így nem cserélnek géneket. De néha ez is bekövetkezhet és ha valóban megtörténik, akkor a bekeveredő gének apróbb evolúciós változáshoz vezethetnek, de a két populáció közti alapvető különbségeket nem befolyásolja. Ezek különbözőek maradnak, a géncsere ellenére. És ez volt Darwin nézete is.
Ha megnézzük a galapagosi pintyek törzsfáját, feltűnik, hogy a G. dificilis különböző szigeteken élő populációi mintha nem is egyetlen fajhoz tartoznának.
RG: Igen, ezek valóban annyira különböznek, hogy eredetileg még külön neveket is adtak nekik. Később összevonták és egyetlen fajként beszéltek róluk, de ma már ismét elkezdték a külön fajneveket használni. Ma tulajdonképpen három nagyobb csoportra osztjuk ezt a „fajt”.
PG: A filogenetikai fa a genetikai adatok alapján keletkezett. Az elmúlt hat évben a genetika segítségével arra jöttünk rá, hogy miután két populáció szétvált, és több százezer évig külön élt, még mindig képesek lesznek géneket cserélni egymás közt. És ez a fajta introgresszió nagyon bonyolulttá teszi a filogenetikai történetek rekonstruálását.
RG: Visszatérve az eredeti kérdésre, minkent pont ez a fajta szituáció érdekelt. Darwin és Wallace is arra mutatott rá, hogy pont az ilyen szituációkat kell megérteni, ahhoz hogy magát a fajkeletkezést is megértsük. A mi fajdefiníciónk az, amit Peter is megfogalmazott. Ha a csoport tagjai jobbára saját dalukat éneklik és ennek alapján választanak párt és csak néha-néha fordul elő, hogy a csoport egy tagja egy másik faj dalát tanulja meg, ami lehetővé teszi, hogy annak a fajnak a nőstényeivel párosodjon, így minimális géncserét téve lehetővé, akkor a két csoport tulajdonképpen két faj marad. Ez a jelenség egyébként számos európai pintyfaj esetében megfigyelhető, gyakran ugyanígy egy „rossz” dal megtanulása kapcsán, de ugyanígy a közmegegyezés szerint ezek ettől még külön fajok.
Ma már sokkal jobban tudjuk, hogy ez a keveredés egy gyakori jelenség, és a mi őseink is keveredtek más, akkor élő Homo fajokkal. Ennek az analógiáján, várható hogy mára már nem létező pintyfajokkal való keveredés nyomait megtaláljuk?
PG: Jó lenne megtalálni a genomoknak azon részeit, amelyeket nem lehet egyszerűen a más ma élő fajokkal való keveredéssel megmagyarázni. Ez feltehetőleg egy több gént magába foglaló genom darab lenne és ki kellene tudnunk zárni, hogy az ezen felfedezhető eltérések nem egyszerűen újonnan létrejött mutációk. Nagyon remélem, hogy találunk ilyeneket, hiszen az bizonyíték lenne olyan fajok létezésére, akik már nincsenek velünk.
RG: És ezt csak így (ma élő fajok genomját nézve) tudjuk megtenni, mert ebben az esetben nincsenek fossziliák (a meleg éghajlat miatt). Ha megnézzük egy óriási űr van a pintyek szigetekre való megérkezése, illetve az első elágazások között. Szinte látjuk a helyét egy korai radiációnak, fajkeletkezési hullámnak.
Visszatérve az introgresszióra. Ha ritka jelenség, akkor nagyon jó evolúciós alapanyag lehet, de ha gyakori, akkor a két keveredő faj eltűnéséhez és egy hibrid faj megjelenéséhez vezethet.
PG: Igen, ezt így van. Ezek az introgressziók alapvetően ritka jelenségek és gyakran, ha be is következnek nem vezetnek sehova. Lehet, hogy csak minden tizedik introgresszió vezet valami evolúciósan is fontos géncseréhez, amit ma is meg tudunk figyelni.
RG: Bizonyos fajoknál valóban, a teljes összeolvadás is megfigyelhető. Daphne egy kicsi sziget és ott valóban elkezdődött a fortris és scandens fajok összeolvadása, és az utódfaj nagyon különbözők mindkét szülői faj más szigeteken fellelhető populációjától. Halaknál is megfigyelhető, hogy különböző populációk hibridizálódnak, és a hibridek egymás közt szaporodnak tovább.
A karakter-eltolódás (character displacement) jelenségre szép példa, hogy az egyazon szigeten lakó egyes pintyfajok csőrmérete komplementere egymásnak és gyakran szignifikánsan különbözik adott faj más szigeteken megfigyelt csőrméretétől. (A kép forrása ez.)
Csak azért kérdezem, mert egyre többet beszélünk az élőhelyek elpusztulásától és ez a jelenség pont odavezethet, hogy korábban különélő fajokat együttélésre kényszerítünk. Vagyis ezt a fajta összeolvadást egyre gyakrabban láthatjuk majd.
RG: Igen. Főleg növényekben már nagyon gyakran látjuk ezt. És persze valami hasonlót látunk akkor is, amikor visszahúzódnak a gleccserek, és a korábban elszigetelt populációk ismét érintkezni kezdenek egymással. Ilyenkor nagyon sok introgresszió következik be nagyon gyorsan.
1973-ban mentek először ezekre a szigetekre, amikor még nem lehetett sejteni, hogy egy igazi molekuláris forradalom közeleg. Mennyire lepte meg Önöket, hogy az új technológiáknak köszönhetően mennyivel több dolgot lehet tanulni az összegyűjtött adatokból.
RG: Természetesen meglepődtünk a mértéken, de egy kicsit éreztük az előszelét. Ezért kezdtünk már nagyon korán vérmintákat is gyűjteni, amelyeket kariotípus elemzésre használtunk fel. Ez csak részben volt sikeres, mert a nagyobb kromoszómákat ugyan el tudtuk különíteni, de a kisebbeket nem lehetett a melanin granulumoktól elkülöníteni. De abban reménykedtünk, hogy esetleg nagyobb inverziókat meg tudunk majd figyelni. Aztán 1988-ban megnyílt a lehetőség, hogy mikroszatellita elemzéseket végezzünk és azonnal éltünk is vele. Ehhez kapcsolódik a történet is, hogy azt mondták, egy konkrét puffert kell használnunk a vérgyűjtéshez és folyékony nitrogént a tároláshoz. Így elvittünk a szigetekre egy teli tartály folyékony nitrogént. Az egész egy rémálom volt, emlékszem, hogy egy kis csónakban próbáltuk egy diákunkkal a tartályt a szigetre vinni. Egy nagyobb hullám kibillentett a csónakból és alig bírtuk a tartályt a kiborulástól megmenteni. Igazából elég életveszélyes helyzet volt és nagyon mérges voltam. Amint visszatértünk a Princetonra, egy molekuláris biológiával foglalkozó kollegával kidolgoztunk egy egyszerű technikát, aminek a lényege, hogy a vért azonnal szűrőpapírral felszívjuk, majd EDTA nevű oldattal stabilizáljuk. Nagy örömünkre így még jobb minőségű DNS-t is sikerült kivonnunk. Így nagyon egyszerűvé vált, hogy mintákat gyűjtsünk, majd visszahozzuk az egyetemre.
PG: Az egyik elődünk mintákat gyűjtött, hogy protein polimorfizmusokat vizsgáljon elektroforézis segítségével. Elérte, hogy szárazjeget küldjenek utána a szigetcsoport legnagyobb, repülőtérrel is rendelkező szigetére. A mintákat szárazjégre tette, majd mivel a felszálással késtek, nézhette kétségbeesetten, hogy a csomag kint, a forró kifutón állt. Végül a szárazjég elpárolgott és a minták tönkrementek. Emiatt nagyon szkeptikusak voltunk az ilyen típusú munkával. Így utólag persze sajnálom, hogy nem kezdtünk egyből, akár alvadt vért gyűjteni egyszerűen szűrőpapír segítségével. Biztos, hogy nem lett volna tökéletes, de azért működhetett volna és akkor hamarabb rájövünk, hogy egy EDTA-jellegű anyag segítségével jobb minőségű DNS-t kapunk. Így még a mostaniaknál is gazdagabb családfákat tudtunk volna építeni. Mert így is nagyon jó mintáink vannak 1988-tól, de nagyon jó lett volna, ha már 1973-ban elkezdjük ezeket a mintákat gyűjteni. Ez a kevés dolgok egyike, amit másképp csinálnánk.
Mit gondolnak arról, hogy milyen gyorsan jelennek meg új mutációk? Pontosabban a kontinensen levő „szülői” populáció mekkora mértékét tartalmazza annak a varianciának, amit a szigeteken megfigyelhetünk?
RG: Sajnos a legközelebbi szárazföldi rokon faj is elég távoli attól, amit mi a szigeteken levő „ősi” fajnak gondolunk. És persze a kontinensen levő fajok is evolválódtak. Így sajnos erről nagyon keveset tudunk.
PG: Hozzátenném, hogy kollaboráltunk egy Jan Klein nevű kutatóval, aki az MHC variáció egyik szakértője. Neki nagyon sok anyaga volt a Karib szigetek élő pintyektől, illetve az amerikai kontinensen élőktől is. Az ő számításai szerint, a Darwin-pintyek esetében megfigyelhető variancia megmagyarázható, ha kb. 30 egyed került a szigetekre. Ez alapján azt valószínűsítjük, hogy nem egy-két madár, hanem egy egész raj került ide. A mutációs rátát valószínűleg a közeljövőben meg tudjuk saccolni a most folyó genomikai munkának köszönhetően. Azt gondolom, hogy alapvetően ez az érték nem fog sokban különbözni attól, amit máshol látunk. A legtöbb fellelhető új mutáció neutrális lesz, vagy enyhén káros és csak néha találunk majd igazán előnyöset. De a populációkban jelenleg fellelhető variáció kellően nagy, hogy megmagyarázza a nagyfokú evolúciós flexibilitásukat.
RG: Igen, ez a változatosság tulajdonképpen óriási. Ez részben a kromoszómák óriási számának köszönhető.
PG: Igen, 78 darab kromoszómájuk van. Arra nem emlékszem, hogy a Darwin pintyek pontosan mennyivel változékonyabbak, mint az ember. De mind fenotípusukban, mind genetikailag sokkal változékonyabbak.
RG: Ha jól emlékszem, a genetikai változékonyságuk az emberinek kb. ötszöröse. Ennek van köze a rengeteg mikrokromoszómához, illetve az eseti introgresszióhoz.
Végül ugorjunk génektől mémekhez. A madarak az éneküket az apától tanulják egy szinzitív periódusban (azaz nincs kódolva genetikailag). Próbálták-e esetleg valahogyan rekonstruálni az ősi pintyek énekét a jelenlegi énekek alapján?
RG: Bowman próbálkozott eredetileg ezzel, és most is vannak olyanok akik ezzel foglalkoznak. Azt hiszem nagyon nehéz lesz. Ami az énekben számomra nagyon érdekes, hogy a fortis és scandens éneke minden szigeten különbözik. Ha mondjuk a Santa Cruz szigeten nézzük az ott élő fajok énekének akusztikus leképzését, akkor azt látjuk, hogy azok mind különböznek és nem fednek át. A Daphne-n élő négy fajnak szintén nem fed át az éneke. De mondjuk a fortis éneke nagyon különbözik a Daphne-n és Santa Cruz-on. Daphne esetében persze ott van az az egyedi eset, amikor magnarostris-ok jöttek a szigetre, az utódok valamiért a szülők énekének egy tömörített verzióját tanulták. A kettőnek jól láthatóan köze volt egymástól, de mégis elkezdtek távoldoni. Mivel ez minden szigeten lejátszódik, nagyon nehéz lesz rekonstruálni, hogy az első énekek milyenek lehettek. Viszont vannak egyszerűbb hívóhangok is. Sok fajban egy magas frekvenciájú füttyöt egy leszálló hang követ. Más fajokban az ének végén egy zümmögés hallható. De nincs olyan faj, ahol a fütty és a zümmögés egyszerre jelen lenne. A filogenetikai fa korai ágain levő fajokra a zümmögés jellemző, az újabbakra pedig a fütty. Ebben az esetben jó esély van arra, hogy ennek a hívóhangnak vannak genetikai gyökerei és érdekes lehet ezeket megkeresni.
(A beszélgetésért köszönet jár Pásztor Erzsébetnek, aki segített a szervezésben. A borítókép a Wikimedia Commons oldaláról származik.)