Big Data

Przedstawiam garść informacji o ewolucji pielęgnic afrykańskich, zwanych pyszczakami. Notka powstała przez połączenie i edycję notek sprzed roku i dwóch lat.

Narzędzia pracy genetyków zmieniają się w tempie trudnym do pojęcia dla osób nie związanych z profesją. Pierwsze sekwencjonowanie ludzkiego genomu trwało 13 lat i pochłonęło kilkaset milionów dolarów dla surowych odczytów, a według maksymalnej wyceny – miliard $ dla uzyskania kompletnego wyniku w 2006 roku. Dziś dla takiego projektu czas liczy się w tygodniach, a wydatek sięga rzędu kilkunastu tysięcy złotych. Nic więc dziwnego, że wszyscy badacze korzystają z tych technik, zawalając dyski terabajtami danych, a zajmujące całe hale klastry komputerowe składają i porównują otrzymane sekwencje dla najrozmaitszych gatunków zwierząt i roślin. Nazwa tego typu badań jest bardzo dosłowna: „Big Data”. Takie studium zmienności setek osobników danego gatunku czy grupy gatunków otwiera nowe obszary wiedzy zarówno o sposobie działania organizmów, jak i o procesach ewolucyjnych. Bywa, że ktoś powie „ta odmienność pojawiła się w populacji jakieś 5000 lat temu, dzięki przypadkowemu przeniesieniu migranta z tego-a-tego odległego miejsca” – i nie jest to anegdota ani czcza spekulacja.

 

Wyniki takich badań genomu dla afrykańskich pielęgnic ukazały się w topowym czasopiśmie Nature przed rokiem. Big Data w tym przypadku nie odnosi się do sekwencjonowania całych genomów, ale do kilku milionów nukleotydów w wybranych miejscach genomu 100 gatunków tych ryb, z których każdy reprezentowany był przez kilkadziesiąt osobników. Projekt miał wyjaśnić mechanizm spektakularnej radiacji ewolucyjnej afrykańskich pielęgnic, która w ciągu niecałych 200 tysięcy lat wygenerowała setki gatunków.

MalawiCichlidPoster chilidexpress
Oba plakaty pochodzą ze strony chilidexpress.com
LakeTanganiykaPoster
Oba plakaty pochodzą ze strony chilidexpress.com

Chronologicznie rzecz ujmując pielęgnice zasiedliły najpierw Jezioro Tanganika. Znacznie później niektóre z nich przedostały się rzekami do Jeziora Wiktorii i Malawi. Badania genetyczne wskazują, że wszystkie (lub prawie wszystkie) pielęgnice, zamieszkujące te jeziora, wywodzą się z jednej i tej samej pierwotnej linii ryb, której przedstawiciele (tzw. pyszczaki) przechowują potomstwo w pysku. Z biegiem czasu ta linia pielęgnic zróżnicowała się pod względem pewnych cech adaptacyjnych – związanych m.in. z odżywianiem się. Możemy więc obserwować pielęgnice charakteryzujące się osobliwymi cechami anatomicznymi, umożliwiającymi im zjadanie ryb, larw, jaj, obgryzanie płetw, zeskrobywanie glonów, rozgniatanie mięczaków, itp. Ich zwyczaje rozrodcze, a w szczególności gody i troska o potomstwo obojga rodziców wpłynęły także na znaczne zróżnicowanie służące identyfikacji gatunkowej. Co ciekawe, formy adaptacyjne w jeziorach Wiktorii i Malawi, niczym w zasadzie nie różnią się od ich pobratymców z Jeziora Tanganika, mimo, że ewoluowały niezależnie.

 

pyszczak-noz-dimidiochromis-compressiceps-rybyakwariowe eu
Pyszczak nóż (płaskogłowy) jedyna znana drapieżna ryba, która atakuje inne ryby połykając je od ogona. Zdjęcie pochodzi ze strony rybyakwariowe.eu

Okazuje się również, że owe ogromnie zmienne cechy morfologiczne są często zupełnie niewspółmiernie do różnic genetycznych. Zbadane 400 gatunków pielęgnic z Jeziora Wiktorii jest mniej zróżnicowanych genetycznie niż Homo sapiens. Wg niektórych autorów ta różnorodność pielęgnic z jezior Tanganika, Wiktorii i Malawi powstała w ciągu ostatnich 200 tys. lat. Poziom wody w Malawi obniżył się bagatela, o 600 metrów jakieś 150 tys. lat temu Jezioro Wiktorii wyschło niemal całkowicie 14 tys. lat temu przeistaczając się w słone bagnisko nim znów zaczęło napełniać się wodą. Odradzające się jezioro Wiktorii stało się zatem areną najszybciej działającej specjacji (procesu powstawania nowych gatunków) pośród kręgowców.

The genomic substrate for adaptive radiation in African cichlid fish
Ilustracja z publikacji Brawand D. i in. 2014. Wykres z lewej przedstawia relacje pokrewieństwa między wybranymi gatunkami pielęgnic i obliczony czas rozdzielenia się linii rodowych.

Ale co stało się napędem tej eksplozji? Przecież pielęgnice nie są jedynymi rybami w tych jeziorach, a te kilkadziesiąt innych gatunków pozostało sobą. Mówiąc szczerze, ta sytuacja mimo swej edukacyjnej wagi, stanowiła poważną zagwozdkę dla biologów ewolucyjnych. – Do czasów Big Data – . Ogromna praca laborantów, maszyn odczytujących DNA, ludzi piszących programy do porównywania wyników oraz komputerów powtarzających sążniste porównania miliony razy, doprowadziła do bardzo ciekawych wniosków. Zaczątkiem fenomenu zmienności okazał się przypadek krótkotrwałego połączenia się zlewni Nilu i rzeki Kongo, gdzie bytowały dwa gatunki pielęgnic, które przez blisko 4 miliony lat nie spotykały się. Spotkanie tych istot na afrykańskich rozlewiskach doprowadziło do powstania płodnych mieszańców, których potomkowie zasiedlili powstające właśnie wielkie jeziora Wiktorii, Malawi i Tanganika.

Catherine Wagner, członkini szwajcarskiego zespołu, który zrealizował ten projekt, porównała tę sytuację do połączenia dwóch odmiennych zestawów Lego – takie zdarzenie stwarza ogromny potencjał dla powstawania nowych struktur.

Nasuwają się tutaj pewne skojarzenia z ewolucją człowieka. Co prawda nie obserwujemy ogromu odmiennych gatunków rodzaju Homo (chociaż o mnogości ekotypów można mówić, a o „psychotypach” lepiej milczeć), ale epizod spotkania spokrewnionych gatunków i krzyżowania się między nimi nastąpił tuż przed niesłychaną eksplozją technologiczną i demograficzną, jaka jest naszym udziałem od kilkudziesięciu tysięcy lat. Przecież właśnie wtedy imigranci z Afryki napotkali w Europie Neandertalczyków, a na dalekim wschodzie Denisoviańczyków i krzyżowali się między sobą ochoczo. Dowodów na to dostarczyły w ostatnich latach analizy Big Data przeprowadzone dzięki fenomenalnej metodyce pozyskiwania DNA z materiału kopalnego, tzw. ADNA (Ancient DNA).

Tomasz Kijewski

 

Źródełka:

Brawand D. i in. The genomic substrate for adaptive radiation in African cichlid fish: Nature 2014

Meier J.I. i in. Ancient hybridization fuels rapid cichlid fish adaptive radiations; Nature Communications 2017

Phys org

Zdjecie w nagłówku: Pundamilia-nyererei pochodzi ze strony elchetron.com

 

4 myśli na temat “Big Data”

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s