Abstrakt
Czy kiedykolwiek słyszałeś o ligierach i tygrysach – mieszankach lwów i tygrysów? Wolfdogach, mieszance wilków i psów? A może o grolarze, mieszance grizzly i niedźwiedzia polarnego? Kiedy organizmy należące do dwóch różnych gatunków mieszają się lub rozmnażają razem, nazywa się to hybrydyzacją. Potomstwo, które powstaje z takich mieszanek, nazywamy hybrydami. Hybrydy występują w świecie przyrody i są potężną siłą ewolucyjną. Są one również ważne w naszym codziennym życiu – prawdopodobnie codziennie jesz rośliny hybrydowe. W tym artykule zagłębimy się w ekscytujący świat hybrydyzacji, opisując jak do niej dochodzi i co może się stać, gdy hybrydy mają dzieci.
Co to jest gatunek?
Hybrydyzacja to rozmnażanie dwóch różnych gatunków. Tak więc, abyśmy mogli przyjrzeć się światu hybrydyzacji, musimy najpierw zrozumieć, czym jest gatunek. Organizmy należące do tego samego gatunku są bardziej podobne do siebie niż do organizmów należących do różnych gatunków. Łatwo jest odróżnić niektóre gatunki, na przykład hipopotam jest rozpoznawalnie różny od geparda (patrz rysunek 1). Ale jaka jest różnica między gepardem a lampartem? Są to również różne gatunki, ale lampart wygląda bardzo podobnie do geparda. Oba żyją w Afryce, są drapieżnikami, kotami, i oba mają nawet plamy. Najpowszechniej stosowane zasady podziału organizmów na gatunki nazywane są biologiczną koncepcją gatunków. Zasady te uznają zwierzęta za różne gatunki, jeśli nie mogą się one rozmnażać razem lub jeśli rozmnażają się razem i produkują bezpłodne potomstwo, czyli potomstwo, które nie może mieć własnych dzieci. Ponieważ gepard i lampart nie mogą się razem rozmnażać, uważamy je za dwa różne gatunki. Inne zasady, które dzielą podobne zwierzęta lub rośliny na różne gatunki, są kontrowersyjne. Niektórzy naukowcy szukają różnic fizycznych, na przykład różnic w kształcie dzioba, kolorze ciała, zachowaniu, siedlisku lub położeniu geograficznym. Inni naukowcy wykorzystują różnice w genach, aby pomóc w znalezieniu różnych gatunków. Każdy żywy organizm posiada geny, które są zawarte w DNA i zawierają informacje, które mówią ciału, jak ma pracować. W obrębie jednego gatunku występują niewielkie różnice w obrębie genów, zwane mutacjami. Takie mutacje powodują niewielkie różnice w obrębie gatunku, np. różne kolory oczu u ludzi. Mutacje decydują nawet o tym, czy potrafisz wywijać językiem, czy nie! Pomiędzy gatunkami występuje znacznie więcej mutacji pomiędzy genami. To właśnie mutacje powodują różnice w wielkości dzioba lub zachowaniu, które widzimy. Jeśli naukowcy nie są pewni, czy dwa organizmy są różnymi gatunkami, mogą porównać i policzyć mutacje, aby sprawdzić.
- Figura 1 – Gepard i hipopotam to dwa różne gatunki.
- Oba żyją na kontynencie afrykańskim, ale hipopotamy żyją w wodzie i na terenach bagiennych, podczas gdy gepardy nie znoszą wilgoci i żyją na afrykańskich łąkach. Hipopotam jest roślinożercą, a gepard jest mięsożercą. Te dwa gatunki nie mogą się hybrydyzować.
Czym są hybrydy?
Gdy dwa zwierzęta tego samego gatunku łączą się w pary, ich potomstwo otrzymuje po 50% genów od każdego z rodziców. To właśnie sprawia, że wyglądasz jak mieszanka swoich rodziców. Mieszańce są krzyżówkami dwóch różnych gatunków, więc zawierają po 50% genów od każdego z rodziców. Słynną hybrydą jest muł, krzyżówka osła i konia. Pięćdziesiąt procent genów muła pochodzi od konia, a 50% od osła. Z powodu tego mieszania muły mają cechy każdego z gatunków rodzicielskich i są silne, jak osły, a także inteligentne, jak konie. Rolnicy hodują muły, ponieważ ta kombinacja sprawia, że muły są doskonałe do noszenia zapasów. Wykorzystanie hybrydyzacji do łączenia pożądanych aspektów każdego z gatunków rodzicielskich jest bardzo korzystne dla ludzi, a hybrydy są często wykorzystywane w rolnictwie. Wiele z pysznych owoców, które kupujesz w sklepie spożywczym, zostało stworzonych dzięki hybrydyzacji! Banany, grejpfruty, marchewki i ogórki to gatunki hybrydowe. W rzeczywistości istnieją setki odmian bananów, ale większość z nas zna banana hybrydowego. Rolnicy mieszali odmiany bananów, aby stworzyć idealną kombinację miękkich, smacznych owoców bez zbyt wielu nasion.
Czy hybrydy mogą mieć dzieci?
Muły i banany są przykładami hybryd, które są bezpłodne, więc nie mogą mieć własnych dzieci. Ale zaskakująco, istnieje wiele przykładów hybryd, które faktycznie mogą mieć dzieci. Dzieje się tak, gdy hybryda łączy się z inną hybrydą lub z tym samym gatunkiem, co jeden z jej rodziców. Na przykład, kiedy lwy i tygrysy hybrydyzują się, powstaje liger. Ligery są płodne i mogą łączyć się w pary z innymi ligerami, lwami lub tygrysami. Płodne hybrydy stwarzają bardzo złożony problem w nauce, ponieważ łamią zasadę biologicznej koncepcji gatunku – dwa odrębne gatunki nie powinny móc się rozmnażać i mieć płodnego potomstwa. Czy to oznacza, że rodzice tych płodnych mieszańców nie są odrębnymi gatunkami? Nie, oznacza to jedynie, że Biologiczna Koncepcja Gatunku nie jest odpowiednia dla każdego gatunku. Dzięki odkryciu, że niektóre hybrydy są płodne, naukowcy nadal debatują nad tym, czym jest gatunek i prawdopodobnie będą to robić jeszcze przez wiele lat. To właśnie sprawia, że hybrydyzacja jest tak interesująca – rzuca wyzwanie niektórym z naszych podstawowych naukowych idei.
Gdy hybrydy łączą się z którymś z gatunków rodzicielskich, ich potomstwo znane jest jako hybrydy skrzyżowane wstecz. Na rysunkach 2A,B widzimy lygrysa, hybrydę lwa i tygrysa, który połączył się z tygrysem. Dziecko z tej mieszanki, hybryda wstecznie skrzyżowana, nadal ma pewne geny lwa. Jeśli krzyżowanie wsteczne będzie kontynuowane przez wiele pokoleń (krzyżówka wsteczna łączy się z tygrysem, a następnie jej potomstwo robi to samo), procent genów lwa będzie coraz mniejszy, ale nie zostaną one całkowicie utracone. Oznacza to, że geny lwa mogą w końcu stać się częścią puli genowej gatunku tygrysa. Kiedy jeden gatunek zawiera część genów innego gatunku, nazywa się to introgresją. Jest to potężna siła ewolucyjna, ponieważ te nowe geny mogą kodować nowe cechy lub zachowania, które mogą pomóc gatunkowi rodzicielskiemu.
- Ryc. 2 – (A) Na górze po lewej, lew i tygrys tworzą hybrydę.
- Ta hybryda lwa z tygrysem ma 50% swoich genów od lwa i 50% od tygrysa. Jeśli hybryda następnie kojarzy się z tygrysem (na dole po lewej), to potomstwo, zwane hybrydą krzyżowaną wstecz, będzie miało niższy procent genów lwa. (A) to kreskówka, a w rzeczywistości ligery i tygrysy są wymieszane na całym ciele, jak widzimy w (B). Co jest przykładem dwóch ligerów żyjących w zoo.
Jaki wpływ ma hybrydyzacja na świat przyrody?
Do tej pory mówiliśmy tylko o hybrydach stworzonych przez ludzi. Lwy i tygrysy nigdy nie spotkają się naturalnie na wolności, ale inne hybrydy występują naturalnie. W rzeczywistości, w świecie przyrody istnieją setki hybryd. Uważa się, że jeden na cztery gatunki roślin i jeden na dziesięć gatunków zwierząt hybrydyzuje. Hybrydyzacja może pomóc gatunkom rodzicielskim poprzez przekazywanie nowych genów, poprzez introgresję, a nawet może prowadzić do tworzenia nowych gatunków. Na przykład, południowoamerykańskie motyle Heliconius zyskały część swoich pięknych wzorów skrzydeł poprzez hybrydyzację (Rysunek 3). Motyle Heliconius używają swoich wzorów skrzydeł, aby przyciągnąć partnera, a także aby uniknąć drapieżników, które interpretują wzory jako sygnały ostrzegawcze. . Starożytna hybrydyzacja gatunków słonecznika również wygenerowała nowe gatunki w Ameryce Północnej. Te pochodzące od hybryd słoneczniki mogą żyć w bardziej ekstremalnych środowiskach, gdzie gleba jest uboga lub toksyczna. Hybrydyzacja połączyła cechy dwóch gatunków rodzicielskich, tworząc nową kombinację genów w hybrydzie, która umożliwiła jej życie w tym nowym siedlisku.
- Figure 3 – Wings of three Heliconious butterflies.
- Górny panel pokazuje hybrydę dwóch gatunków motyli w panelach poniżej, więc wzory skrzydeł hybrydy są mieszanką dwóch rodziców. Ta hybrydyzacja może być korzystna, ponieważ nowe wzory skrzydeł mogą przyciągać partnerów, ale może być również niekorzystna, ponieważ niektóre wzory skrzydeł mogą sprawić, że motyle będą bardziej oczywiste dla drapieżników. Pictures are from heliconius.ecdb.io.
Ale wiele z naturalnych hybryd, o których mówiliśmy, pochodzi od współczesnych gatunków, istnieją również przykłady starożytnych hybrydyzacji, które miały miejsce dziesiątki tysięcy lat temu. Te hybrydy mogą być zidentyfikowane nawet wtedy, gdy gatunki rodzicielskie wymarły. Dzieje się tak dlatego, że niektóre geny gatunków rodzicielskich będą nadal obecne w niewielkim procencie w hybrydzie. Porównując mutacje genów między blisko spokrewnionymi gatunkami, możemy znaleźć potencjalne hybrydy, szukając genów, które są bardzo różne lub mutacji, które pochodzą od jednego z gatunków rodzicielskich starożytnej hybrydy. Używając tej metody, odkryto, że starożytna hybryda jest przodkiem wielu gatunków błazenków (jak Nemo z filmu „Finding Nemo”). Podobnie jak w przypadku słonecznika, kombinacja przystosowań w tej starożytnej hybrydzie pozwoliła przodkowi błazenków żyć w nowym środowisku. W rezultacie, ta starożytna hybryda jest przodkiem wielu współczesnych gatunków błazenków.
Czasami hybrydy mogą być złe dla gatunków rodzicielskich i dla świata przyrody. Jeśli hybrydy są bardzo udane, może być ich tak wiele, że będą konkurować z gatunkami rodzicielskimi o pożywienie i przestrzeń życiową, co może doprowadzić do wyginięcia gatunków rodzicielskich. Utrata gatunku jest szkodliwa dla bioróżnorodności i może mieć wpływ na inne gatunki żyjące w danym siedlisku. Gdy utrata gatunku następuje w sposób naturalny, naukowcy nie próbują jej powstrzymać, ponieważ jest to proces naturalny. Utrata gatunku rodzicielskiego z powodu hybrydowego potomstwa jest problematyczna tylko wtedy, gdy hybryda została stworzona przez ludzi i wprowadzona na obszar, na którym gatunki rodzicielskie nie występowały naturalnie. W takich przypadkach musimy działać, aby zapobiec wyginięciu gatunków rodzicielskich. Ale nie martwcie się, hybrydy, które kupujemy w sklepie spożywczym raczej nie spowodują poważnych szkód w środowisku, ponieważ istnieją zasady, które zapewniają, że są one uprawiane z wielką starannością.
Wniosek
Hybrydyzacja jest złożonym procesem polegającym na mieszaniu się dwóch gatunków. Hybrydyzacja jest ważną częścią ewolucji, ze względu na transfer genów poprzez introgresję i jej rolę w generowaniu nowych gatunków. Jest ona również częścią naszego codziennego życia i jest wykorzystywana do ulepszania żywności i zwierząt gospodarskich.
Słowniczek
Hybrydyzacja: Hodowla pomiędzy dwoma różnymi gatunkami.
Gatunki: Organizmy, które są do siebie podobne i mogą rozmnażać się razem, aby stworzyć płodne potomstwo. Nie wszyscy naukowcy są zgodni co do tego, jak zdefiniować odrębne gatunki.
Geny: Odcinki DNA, które zawierają instrukcje dotyczące procesów zachodzących w organizmie i cech (takich jak kolor oczu).
Mutacje: Małe różnice w genach, które sprawiają, że osobniki wyglądają niepowtarzalnie. Wiele mutacji występuje między gatunkami.
Płodność: Zdolność do rozmnażania się i posiadania dzieci. Niepłodność to przeciwieństwo, czyli niezdolność do posiadania dzieci.
Introgresja: Kiedy geny z jednego gatunku są przenoszone do innego gatunku poprzez hybrydyzację i krzyżówki wsteczne.
Oświadczenie o konflikcie interesów
Autorzy deklarują, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych relacji, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.
Allendorf, F. W., and Liukart, G. (eds.) 2007. „Hybridization,” in Conservation and the Genetics of Populations (Malden, MA: Blackwell Pub). 421-48.
Mayr, E. 2000. „The biological species concept,” in Species Concepts and Phylogenetic Theory: A Debate, eds Q. D. Wheeler and R. Meier (New York, NY: Columbia University Press). 17-20.
Proops, L., Burden, F., and Osthaus, B. 2009. Mule cognition: a case of hybrid vigour? Anim. Cogn. 12:75-84. doi: 10.1007/s10071-008-0172-1
Perrier, X., De Langhe, E., Donohue, M., Lentfer, C., Vrydaghs, L., Bakry, F., et al. 2011. Multidisciplinary perspectives on banana (Musa spp.) domestication. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108:11311-8. doi: 10.1073/pnas.1102001108
Arnold, M. L., Sapir, Y., and Martin, N. H. 2008. Genetic exchange and the origin of adaptations: prokaryotes to primates. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 363:2813-20. doi: 10.1098/rstb.2008.0021
Mallet, J. 2005. Hybrydyzacja jako inwazja genomu. Trends Ecol. Evol. 20:229-37. doi: 10.1016/j.tree.2005.02.010
Kronforst, M. R., Young, L. G., Blume, L. M., and Gilbert, L. E. 2006. Multilocus analyses of admixture and introgression among hybridizing Heliconius butterflies. Evolution 60:1254-68. doi: 10.1554/06-005.1
Rieseberg, L. H., Raymond, O., Rosenthal, D. M., Lai, Z., Livingstone, K., Nakazato, T., et al. 2003. Major ecological transitions in wild sunflowers facilitated by hybridization. Science 301:1211-6. doi: 10.1126/science.1086949
Litsios, G., and Salamin, N. 2014. Hybridisation and diversification in the adaptive radiation of clownfishes. BMC Evol. Biol. 14:245. doi: 10.1186/s12862-014-0245-5