Dołącz do czytelników
Brak wyników

Otwarty dostęp , Taksonomia

21 maja 2019

NR 33 (Maj 2019)

10 gatunków w jednym – badania molekularne ujawniają nowe gatunki ukryte wewnątrz starych. Badania nad Aneura pinguis

0 148

Taksonomia jest gałęzią biologii zajmującą się opisem, identyfikacją i klasyfikacją organizmów. Podstawową jednostką systematyczną jest gatunek. Dotychczas nie opracowano całkowicie uniwersalnej definicji gatunku, przyczyną jest zarówno ciągłość, jak i różnorodność świata biologicznego, którego nie da się ująć w sztywne ramy. Problem gatunku jest dyskutowany, odkąd ludzie zajęli się porządkowaniem świata biologicznego.

Problemy z uniwersalną definicją gatunku 

Obecnie istnieje około 20 definicji gatunku. Każda z nich zawiera liczne wyjątki, co odzwierciedla skalę złożoności zagadnienia. Do podstawowych problemów w definiowaniu uniwersalnego pojęcia gatunku należą: 

  • trudności w określeniu jednoznacznych kryteriów dla wszystkich organizmów, np. czy ważniejsze są różnice morfologiczne, czy niekrzyżowanie się przedstawicieli różnych gatunków; 
  • ustalenie granic między gatunkami; 
  • określenie zmienności cech w populacjach w czasie i w przestrzeni. 

Obecnie najpopularniejsze są dwie definicje: morfologiczna i biologiczna. Definicja morfologiczna, zwana tradycyjną, przez wielu taksonomów uważana jest za najważniejszą. Gatunki w ten sposób zidentyfikowane mają swoją dwuczłonową nazwę łacińską i opisane są w kluczach. Każdy gatunek można zidentyfikować w terenie. Definicja ta jednak nie ma zastosowania w całym świecie biologicznym, kłopotliwe są gatunki, przeważnie pokrewne, charakteryzujące się dużym podobieństwem i dużą plastycznością morfologiczną oraz przypadki, gdzie osobniki tego samego gatunku mogą przybierać różne formy w zależności od środowiska, w którym żyją. Tak jest na przykład u rzęśli (rodzaj Callitriche). Rzęśle są roślinami wodnymi. W wodzie płynącej pod wodą wykształcają długie liście, w miejscach, gdzie woda stoi, wytwarzają liście jajowate, a na powierzchni wody rośliny przybierają kształt rozetki z jajowato-łopatowatymi liśćmi. Dla osoby, która nie zna rzęśli, formy te wyglądają jak różne gatunki.

Drugą ważną definicją gatunku jest tak zwana biologiczna koncepcja gatunku zaproponowana przez Ernesta Mayra w 1942 r. Definicja ta jest oparta na kryterium możliwości krzyżowania się osobników w warunkach naturalnych i wydania płodnego potomstwa. Mówi, że gatunek to wszystkie populacje, z których osobniki potencjalnie mogą się ze sobą krzyżować i dają płodne potomstwo. Jednak i ta definicja nie jest uniwersalna, gdyż wiele morfologicznych gatunków może się ze sobą krzyżować, dając płodne potomstwo. Przykładem mogą być niedźwiedzie. W warunkach naturalnych spotyka się płodne mieszańce niedźwiedzia polarnego z grizlly, albo grizlly z brunatnym. Ze względu na zagrożenie utraty czystości gatunków, co według taksonomów jest niekorzystne, mieszańce niedźwiedzi są odstrzeliwane. Dla biologicznej koncepcji gatunku problemem są też gatunki kopalne, o których nie wiadomo, czy mogły się krzyżować, czy nie. Określenie, czy próby pochodzące z różnych czasów należą do tego samego gatunku, jest podstawowym problemem paleontologów, którzy dysponują jedynie fragmentarycznym materiałem kopalnym. Jak widać, sytuacja, nie jest prosta, a w przypadku organizmów rozmnażających się bezpłciowo definicja biologiczna jest całkowicie bezużyteczna.
Badania molekularne jeszcze bardziej skomplikowały sytuację. W ostatnich latach wykazano, że wewnątrz szeregu taksonomicznie uznanych gatunków można zaobserwować wyraźny podział na grupy. Odrębność genetyczna tych grup okazywała się tak duża, że pomiędzy nimi zaobserwowano bariery rozrodcze, a u części różne preferencje ekologiczne. Wykryte grupy, mimo że morfologicznie wyglądały identycznie, zachowywały się jak odrębne gatunki. Grupy te nazwano gatunkami kryptycznymi (krypto znaczy ukryty) lub bliźniaczymi. W ich przypadku ewolucja morfologiczna nie szła w parze z ewolucją genetyczną. Gatunki kryptyczne szczególnie często spotyka się wśród organizmów żyjących w środowisku morskim, wśród owadów i niektórych grup roślin, na przykład u mszaków.

Z taksonomicznego punktu widzenia nie bardzo wiadomo, co z takimi taksonami zrobić. Z powodu braku różnic morfologicznych nie wpisują się w tradycyjną morfologiczną koncepcję gatunku, nie mogą znaleźć się w kluczach, z drugiej strony zachowują się jak odrębne gatunki – nie krzyżują się między sobą i mają różne pule genowe, co odpowiada koncepcji gatunku opartej na braku rekombinacji, czyli biologicznej koncepcji gatunku. 

Gatunki kryptyczne można odróżnić tylko za pomocą metod biochemicznych lub molekularnych. Ostatnio bardzo popularną metodą służącą do oznaczania gatunków jest tzw. metoda barkodingu (kodu kreskowego), która polega na identyfikacji gatunków na podstawie specyficznych sekwencji DNA (każdy gatunek ma swoją specyficzną sekwencję, odróżniającą go od innych gatunków). Duża wykrywalność, dzięki tej metodzie, gatunków kryptycznych wewnątrz już uznanych taksonów sugeruje, że molekularne dane powinno się włączyć do taksonomii tradycyjnej. Co więcej, część badaczy uważa, że przy definiowaniu gatunku powinny być brane pod uwagę również preferencje ekologiczne i rozmieszczenie geograficzne. W związku z tym powstała, i ostatnio jest mocno propagowana wśród taksonomów, tak zwana koncepcja taksonomii zintegrowanej, która łączy taksonomię klasyczną z badaniami molekularnymi i ekologią. Poniższy przykład pozwoli lepiej zrozumieć ideę gatunków kryptycznych i proces specjacji.

Historia odkrycia gatunków kryptycznych wewnątrz wątrobowca Aneura pinguis

Aneura pinguis (L.) Dumort (polska nazwa beznerw tłusty) jest gatunkiem wątrobowca należącego do podklasy Metzgeriidae. Jest rośliną plechowatą, nie posiada tkanek, a jedynie składa się z kilku warstw jednakowych komórek. Jest rośliną niewielką, którą trudno zauważyć w terenie. Tworzy plechy w kształcie płożących się po podłożu języków mających długość od 1 do 5 cm. Jest dość rzadka, jednak nie chroniona. W naturze tworzy niewielkie kolonie. Gatunek ten ma szeroką skalę ekologiczną, może rosnąć zarówno bezpośrednio na glebie, na skałach, na spróchniałym drewnie, jak i na torfowiskach pomiędzy torfowcami. Zasięgiem swoim obejmuje prawie cały świat, od tropików po Arktykę, gdzie rośnie zarówno na obszarach nizinnych, jak i górskich. W Polsce występuje jedynie na Pomorzu Zachodnim, Pojezierzu Suwalskim, w Puszczy Białowieskiej, Tatrach, Pieninach, Beskidach i Bieszczadach. W miejscach tych znany jest jedynie z kilku lub kilkunastu stanowisk. Na pozostałych terenach w Polsce jest niespotykany lub bardzo rzadki. 

Do niedawna Aneura pingus była powszechnie uznawana za gatunek jednorodny na całym zasięgu występowania. Pierwsze badania genetyczne, w połowie lat 90., ujawniły, że w obrębie tego gatunku występują dwie grupy nierozróżniane morfologicznie, ale znacznie różniące się genetycznie i co ważne, już wtedy stwierdzono, że obie te grupy nie krzyżują się. Badacze doszli do wniosku, że są to dwa gatunki kryptyczne i oznaczyli je dla rozróżnienia literami A i B (Aneura pingus – gatunek A – i Aneura pingus – gatunek B). Wkrótce znaleziono kolejny gatunek C. Zaczęto się wówczas zastanawiać, ile gatunków kryptycznych może mieć Aneura pinguis. W celu rozwiaznia tego problemu w 2010 roku postanowiono zrobić kompleksowe badania. Zebrano próby ze wszystkich znanych stanowisk Aneura pingus w Polsce, aby mieć żywy materiał do badań. Ponadto poproszono o możliwość pobrania próbek z okazów zielnikowych w największych zielnikach z całego świata. Próby badano metodą barkodingu. Zbadano 5 regionów DNA genomu chloroplastowego (rbcL, matK, rpoC1, trnH-psbA, trnL-trnF) oraz z genomu jądrowego (odcinek ITS1-5.8S-ITS2).
 

Aneura pinguis – gatunek A

 

Aneura pinguis – gatunek B

 

Aneura pinguis – gatunek C

 

Wyniki

Z dostępnego materiału wyodrębniono 10 gatunków kryptycznych, które oznaczono literami od A do J. Osiem z tych gatunków występuje na terenie Polski (A, B, C, E, F, G, H, I). W obrębie czterech gatunków: A, B, C i E, wykryto wyraźne podgrupy (odrębne linie filogenetyczne), które prawdopodobnie są na początkowym etapie specjacji. W gatunkach A i B zidentyfikowano po 3 takie podgrupy (oznaczone: A1, A2, A3 i B1, B2, B3), a w gatunkach C i E po 2 podgrupy (oznaczone: C1, C2 i E1, E2). Łącznie w obrębie Aneura pingus wyróżniono 16 wyraźnych linii filogenetycznych. 

Następnym etapem badań było porównanie wszystkich genomów między sobą (każdy z każdym), a znalezione różnice w sekwencjach genomowych przeliczono na procenty. Genomy gatunków kryptycznych różniły się od 1,220% do 6,377%. Przy czym zdecydowana większość różnic przekroczyła 3%. Genomy gatunków pokrewnych najczęściej różnią się około 2%. Różnica 2% w genomie jest często proponowana jako minimalny próg różniący gatunki rozpoznawane na podstawie cech morfologicznych. 

Na podstawie uzyskanych danych zbudowano drzewa filogenetyczne (rys. 1), obrazujące ewolucję gatunków kryptycznych u Aneura pinguis. Do analiz włączono Aneura maxima i Aneura mirabils. Oba gatunki są blisko spokrewnione z Aneura pingus, lecz są na tyle odrębne morfologicznie, że uznaje się je jako taksonomicznie uznane gatunki.
 

Rys. 1. Drzewo filogenetyczne gatunków kryptycznych Aneura pinguis, Aneura maxima
i Aneura mirabilis
. Jako grupy zewnętrznej użyto Pellia endiviifolia


Na drzewach filogenetycznych wszystkie gatunki kryptyczne Aneura pingus oraz Aneura maxima i Aneura mirabilis tworzyły osobne klady (odgałęzienia). Aneura maxima i Aneura mirabilis zostały zagnieżdżone (umiejscowione) pomiędzy różnymi gatunkami kryptycznymi Aneura pingus, co oznacza, że ewolucyjnie wyodrębniły się one później niż niektóre gatunki kryptyczne Aneura pinguis. Wynik ten potwierdziły analizy porównawcze genomów, które wykazały, że różnice genetyczne między niektórymi gatunkami kryptycznymi Aneura pinguis są większe niż różnice pomiędzy Aneura maxima a Aneura mirabilis. 
 

Rys. 2. Sieć podobieństw sekwencji DNA Aneura pinguis z zaznaczeniem regionów geograficznych, w których występują


Drzewo filogenetyczne Aneura, jak widać na rysunku, dzieli się na dwie główne gałęzie. Pierwsza zawiera 6 gatunków kryptycznych (B, F, C, H, G i I), a także Aneura maxima i Aneura mirabilis, a druga pozostałe 4 gatunki (A, D, E, J). Podział ten pokazuje pierwszy etap specjacji i świadczy o tym, że badane gatunki kryptyczne nie pochodzą bezpośrednio od jednego przodka, a specjacja następowała etapowo i w różnym czasie. Co więcej, te dwie linie ewolucyjne rozdzieliły się jeszcze przed powstaniem Aneura maxima i Aneura mirabilis. Te dwa gatunki miały wspólnego przodka z niektórymi gatunkami kryptycznymi (gatunek I jest najbliżej z nimi spokrewniony) zaliczanymi dzisiaj do Aneura pinguis. Podział Aneura pinguis na dwa główne klady potwierdził wyniki analizy sieci (rys. 2), w której dwie grupy gatunków zostały oddzielone od siebie co najmniej 164 etapami mutacji. Który z gatunków kryptycznych jest tym właściwym Aneura pinguis – nie wiadomo. Aby to sprawdzić, należy porównać otrzymane sekwencje ze sekwencjami tak zwanego typu nomenklat...

Artykuł jest dostępny dla zalogowanych użytkowników w ramach Otwartego Dostępu.

Załóż konto lub zaloguj się.
Czeka na Ciebie pakiet inspirujących materiałów pokazowych.
Załóż konto Zaloguj się

Przypisy