Undersøgelse belyser forholdet mellem miljø, hormoner og evolution

Forskellige arter af spadefoot-tudser nærmer sig metamorfose forskelligt, og det er alt sammen takket være dammen de voksede op i, ifølge et team af forskere, der omfatter en videnskabsmand fra University of Michigan.

Forskerne fandt ud af, at nogle arter kan regulere tidspunktet for deres metamorfose ved at regulere hormonproduktionen, mens timingen for andre arter er fastlagt.

Deres studie, udgivet i Naturkommunikation , er en af ​​de første til at levere en mekanisme - i dette tilfælde, forskellene i måden, hvorpå metamorfose styres af hormoner i forskellige arter af spadefoot-tudse - som ligger til grund for en teori kaldet genetisk akkommodation. Teorien blev introduceret for mere end 15 år siden af ​​Mary Jane West-Eberhard, en evolutionsbiolog, der afsluttede alle sine grader på U-M, siger studieforfatter Robert Denver, en U-M udviklingsneuroendokrinolog.

I denne teori, når organismer af enhver art - mikrober, planter eller dyr - oplever ændringer i deres miljø, over tid, at organismen kan ændre sin fænotype, eller dets fysiske egenskaber, som udvikler sig som reaktion på omgivelserne. West-Eberhard foreslog, at forskelle mellem arter og nye fænotyper kan udvikle sig gennem ændring af deres forfædres fænotype. Disse ændringer bliver derefter fikseret gennem processen med genetisk akkommodation.

"For at dette kan fungere, forfædrene må have haft kapaciteten til at udtrykke en række fænotyper som reaktion på forskellige miljøer, en proces kendt som fænotypisk plasticitet eller udviklingsmæssig plasticitet." sagde Denver, professor og formand for U-M Institut for Molekylær, Cellulær og udviklingsbiologi.

For eksempel, hvordan mennesker ser ud kan variere afhængigt af deres kostvaner, stress, eller en række andre faktorer.

"Vi har alle en genotype, eller gener, der koder for proteiner, der i sidste ende bestemmer, hvordan vi ser ud, og hvad kapaciteten er for vores vækst. Men indenfor det, der er en række kropsstørrelser, der kan opnås baseret på miljøet, " sagde Denver, som også er professor i økologi og evolutionær biologi. "Når miljøværdierne skifter mod ekstremerne, naturlig selektion kan favorisere fænotyper, der er bedre i stand til at leve i det nye miljø."

I tudser studerede Denver, nøglen var, om dammene med vand, som haletudserne klækkede ud i, var permanente eller kortlivede.

Forskerne opdagede, at arten af ​​spadefodertudse, der lever i semi-permanente damme, kan udløse deres egen metamorfose, når de fornemmer, at deres dam tørrer op. Aktiveringen af ​​deres skjoldbruskkirtler ansporer til metamorfose, ligesom hos mennesker, men tudserne aktiverer også deres binyrer. Dette producerer et stresshormon, der fremskynder metamorfosen, at tillade haletudsen at undslippe tørredammen og flytte ind på land som en ung voksen.

Andre arter af spadefoot-tudser yngler i flygtige bassiner - f.eks. pøler af vand i Arizonas ørken, der kun eksisterer i et par dage. Disse arter har en meget kort udviklingsperiode, der ikke kan ændres af det miljø, de lever i.

Den kortere larveperiode for spadefodspadderne, der yngler i de flygtige puljer, påvirker også deres størrelse som voksne. Spadefoot-tudserne, der yngler i semi-permanente damme, er omtrent på størrelse med en halv dollar, når de forvandles, mens den anden art er omtrent på størrelse med en skilling, sagde Denver.

Denver siger, at den fælles forfader til spadefoot-tudser højst sandsynligt var i stand til at modulere timingen af ​​dens metamorfose, men da nogle spadefoot-tudser begyndte at leve i ekstremt udfordrende, tørre omgivelser, de ændrede deres udviklingsperiode til en meget kort, fast en.

"Deres forfædre havde sandsynligvis evnen til at forvandle sig over et tidsrum, fra to uger til tre måneder eller mere, " sagde Denver. "Men med tiden, enten blev deres habitat meget tørrere, eller de flyttede tilfældigt ind i disse tørre miljøer, og de individer, der overlevede der, var dem, der havde denne meget korte udviklingsperiode."

I de mere tørre omgivelser, naturlig udvælgelse favoriserede de enkelte tudser med meget hurtig udvikling, men manglede evnen til at variere deres udviklingshastighed som reaktion på deres miljø. I stedet, deres endokrine systemer er aktive meget tidligere i udviklingen, og deres væv blev meget mere følsomme over for det hormonelle signal.

"Vores undersøgelse er et af de få eksempler på en fysiologisk/udviklingsmekanisme, der ligger til grund for genetisk akkommodation, " sagde Denver.

Denver udførte forskningen sammen med medforfatterne Saurabh Kulkarni og Daniel Buchholz i afdelingen for biologiske videnskaber ved University of Cincinnati, og Ivan Gomez-Mestre på Doñana Biologiske Station i Spanien.