Ha a napokban PZ Myers blogjában nem figyelek rá fel, akkor el is mulasztottam volna egy remek kis Science cikket. Pedig tényleg kár lett volna, mert szép és elegáns példája annak, hogy miként működhet az evolúció.
Gyorsan változó környezeti feltételek mellett gyakran jól jön, ha a körülményektől függően egy kicsit különböző adottságok jelennek meg egyes egyedekben. Bármennyire is furcsán hangzik ez, a valóságban számos példa van rá, hogy egy és ugyanazon genom, különböző viszonyok közepette, (kicsit) eltérő kinézetű egyedeket produkál. Példa erre számos pillangó faj, ahol a szárny mintázata változik évszakonként (így a hőfelvevést szabályozzák), bizonyos Daphnia fajok (lásd baloldali ábra), amelyek ragadozók jelenlétében a fejük tetején tüskéket növesztenek, vagy a kasztrendszerben élő hangyák mindenki számára jól ismert esete: bizonyos környezeti hatások esetében szárnyas királynők és hímek bújnak ki a tojásokból, ellenben ha a hatások megváltoznak szárnyatlan dolgozók és katonák jönnek világra. Ezt a jelenséget nevezzük polifenizmusnak.
A szóbanforgó cikk szerzői annak próbáltak a nyomába eredni, hogy mi is működtethet egy-egy polifenizmust és ehhez kísérleti alanyként az amerikai dohányszendert (Manduca sexta) választották. A szender lárvái általában zöld színűek, de létezik egy fekete mutáns is (lásd jobboldali ábra) – ez viszont nem évszak/hőmérséklet/stb. függő, azaz önmagában még nem polifenizmus. Egy rokon szender faj esetében azonban valóban létezik egyfajta hőmérsékleti polifenizmus (alacsonyabb hőmérsékleten a lárvák feketék, míg magasabb hőmérsékleten zöldek), így felvetődik, hogy a M. sexta esetében is indukálható-e egy hasonló hőmérsékleten alapuló fenotipikus variáció.
Ezt tesztelendő, a kutatók egy csapat dohányszendert vetettek hősokk alá (az ilyenfajta radikális kezelés gyakran segít különféle variációk felszínre hozasában). A zöld lárvájú szendereknél a kezelés semmilyen hatással nem járt, ellenben a fekete lárvájú rokonaiknál egyes lárvák zöldek lettek, mások átmeneti fenotípust mutattak, míg megint mások feketék maradtak. Az eredmény figyelemreméltó, még akkor is ha 42C nem sűrűn fordul elő a rovarok természetes élőhelyén, így ez még nem tekinthető polifenizmusnak a szó klasszikus értelmében (de már közel jár). Mindenesetre jó kiindulási alap arra, hogy mesterséges szelekcióval polifenizmust mutató zöld-fekete populációt, ill. egy teljesen fekete, semmilyen körülmények között nem változó populációt hozzunk létre. Ez is történt, és a hősokk után “kizöldülő” valamint feketének maradó egyedeket különválasztva és külön szaporítva, kb. 12 generáció, azaz 12 szelekciós lépés után siker koronázta a szerzők tevékenységét. Létrejött egy olyan csoport, amelyik soha, semmilyen körülmények között nem hozott létre zöld lárvákat, illetve egy másik, amelyik már valódi polifenizmust mutatott. Utóbbi szenderek lárvái 20-25C között fekete színezetűek lettek, ellenben 30 fok felett már zöld színben pompáztak.
Lássuk hát, mi is áll a jelenség mögött. Rovarokban a pigmentáció egyik fontos szabályozója az ún. juvenális hormon (JH). Amikor a szintje magas, a fekete pigmentet létrehozó melanizáció folyamata visszaszorítódik, így a lárva zöld színű marad (lásd az alábbi ábrán). Ha valamilyen okból (ez lehet egy mutáció (“enabling mutation”), vagy mesterségesen meggátoljuk a hormon elterjedését a szervezetben) a hormon szintje alacsony, értelemszerűen a melanizáció felszabadul a gátlás alól és a lárva fekete lesz. A mutáns M. sexta egyes egyedeinek esetében a hősokk hatására azonban a hormon szintje kellően megemelkedik ahhoz, hogy variációt figyeljünk meg. A C és D ábra pedig azt mutatja mit is értek el a kutatók a mesterséges szelekció révén: a polifenizmust mutató vonal esetében a válogatás eredményeként megnövekedett a szervezet környezeti ingerekre való válaszadó képessége (genetic accomodation), míg a másik esetben a fekete lárvaszín fixálódott (genetic assimilation), feltehetően a JH szabályozó régiójában bekövetkezett mutáció révén (ennek következtében a hormon-szint többé nem hőmérséklet függő, hanem mindig alacsony).
Az eredmény jól tükrözi hogyan is alakulhatnak ki új tulajdonságok egyes populációkban jelen levő variációk révén. Pl. eredetileg a magas JH szint miatt minden hernyó zöld színű. Azonban az idők folyamán a populációban megjelenik egy mutáció, melynek eredményeként a JH szintjében beálló csökkenés ill. hőmérséklet érzékenység polifenizmust hoz létre. Melegebb helyeken továbbra is minden lárva zöld lesz (vagyis nincs szelekció mutáns és nem mutáns egyedek között), ellenben hűvösebb körülmények között, a mutáns egyedek feketék lesznek. Ha ezen hűvösebb körülmények között a fekete színű lárvák valamilyen előnyt élveznek, akkor a természetes szelekció gyorsan rögzíti az adott mutációt. Végül, ha a faj egy csoportja olyan körülmények közé kerül, ahol állandóan hűvös időjárás uralkodik (vagyis zöld színű hernyók sosem fognak amúgysem előfordulni), a JH szabályozásában újabb változások rögzülhetnek és ezek eredményeként szintje állandóan alacsony marad.
Suzuki Y, Nijhout HF (2006) Evolution of a polyphenism by genetic accommodation. Science 311: 650-652.