Hvordan arter dannes:Hvad den sammenfiltrede historie om forholdet mellem isbjørne og brunbjørne fortæller os

En ny undersøgelse giver et forbedret kig på isbjørnes og brune bjørnes sammenflettede evolutionære historier.

At blive separate arter forhindrede ikke fuldstændigt disse dyr i at parre sig med hinanden. Forskere har vidst dette i nogen tid, men den nye forskning trækker på et udvidet datasæt – inklusive DNA fra en gammel isbjørnetand – for at pirre flere detaljer.

Historien, der dukker op, afslører kompleksiteter svarende til dem, der komplicerer menneskets evolutionære historie.

"Danningen og vedligeholdelsen af ​​arter kan være en rodet proces," siger Charlotte Lindqvist, Ph.D., lektor i biologiske videnskaber ved universitetet ved Buffalo College of Arts and Sciences og ekspert i bjørnegenetik. "Det, der er sket med isbjørne og brune bjørne, er en pæn analog til det, vi lærer om menneskets evolution:at opsplitning af arter kan være ufuldstændig. Efterhånden som flere og flere ældgamle genomer er blevet genvundet fra ældgamle menneskelige populationer, herunder neandertalere og denisovaner , vi ser, at der var multidirektional genetisk blanding i gang, da forskellige grupper af arkaiske mennesker parrede sig med forfædre til moderne mennesker. Isbjørne og brune bjørne er et andet system, hvor du ser dette ske."

"Vi finder beviser for krydsning mellem isbjørne og brune bjørne, der går forud for en gammel isbjørn, vi studerede," siger hun. "Og desuden viser vores resultater en kompliceret, sammenflettet evolutionær historie blandt brune og isbjørne, hvor hovedretningen af ​​genstrømmen går ind i isbjørne fra brune bjørne. Dette inverterer en hypotese foreslået af andre forskere om, at genstrømmen har været ensrettet og går ind i brune bjørne omkring toppen af ​​den sidste istid."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i ugen den 6. juni iProceedings of the National Academy of Sciences . Det blev ledet af Lindqvist ved UB i USA; Luis Herrera-Estrella ved National Laboratory of Genomics for Biodiversity (LANGEBIO) i Mexico og Texas Tech University i USA; og Kalle Leppälä ved universitetet i Oulu i Finland. Tianying Lan, Ph.D., en tidligere UB postdoc-forsker nu ved Daicel Arbor Biosciences, var med-førsteforfatter med Leppälä.

Konceptet med arktisk-tilpassede isbjørne, der fanger genetisk materiale fra brune bjørne, som er tilpasset livet på lavere breddegrader, er et af flere fund af mulig interesse for forskere, der er beskæftiget med klimaændringernes indvirkning på truede arter.

Efterhånden som verden opvarmes, og den arktiske havis aftager, kan isbjørne og brunbjørne løbe oftere ind i hinanden på steder, hvor deres udbredelsesområde overlapper hinanden. Dette gør deres fælles evolutionære historie til et særligt spændende studieemne, siger Lindqvist.

Opdeling af arter kan være en rodet proces

Som Lindqvist forklarer, troede videnskabsmænd engang, at moderne mennesker og neandertalere simpelthen splittes i separate arter efter at have udviklet sig fra en fælles forfader. Derefter fandt forskere neandertaler-DNA i moderne eurasiske mennesker, hvilket antyder, at moderne menneskelige befolkninger modtog en tilstrømning af gener fra neandertalere på et tidspunkt i deres fælles evolutionære historie, siger hun.

Først senere indså forskerne, at denne genetiske sammenblanding også supplerede neandertalerpopulationer med moderne menneskelige gener, tilføjer Lindqvist. Med andre ord kan krydsning være kompleks, ikke nødvendigvis en ensrettet gade, siger hun.

Den nye undersøgelse om bjørne afslører en bemærkelsesværdig lignende historie:Analysen finder beviser for hybridisering i både isbjørne og brunbjørne genomer, hvor især isbjørne bærer en stærk signatur af en tilstrømning af DNA fra brune bjørne, siger forskere. Tidligere forskning foreslog kun det omvendte mønster, siger Lindqvist.

"Det er spændende, hvordan DNA kan hjælpe med at afsløre gammel livshistorie. Genstrømningsretningen er sværere at bestemme end blot dens tilstedeværelse, men disse mønstre er afgørende for at forstå, hvordan tidligere tilpasninger er blevet overført mellem arter for at give moderne dyr deres nuværende træk," siger Leppälä, Ph.D., postdoc-forsker i forskningsenheden for matematiske videnskaber ved Uleåborgs universitet.

"Befolkningsgenomik er en stadig mere kraftfuld værktøjskasse til at studere plante- og dyrs evolution og virkningerne af menneskelig aktivitet og klimaændringer på truede arter," siger Herrera-Estrella, Ph.D., President's Distinguished Professor of Plant Genomics og direktør for Institute of Genomics for Crop Abiotic Stress Tolerance i Texas Tech Department of Plant and Soil Science. Han er desuden professor emeritus ved LANGEBIO. "Bjørner leverer ikke simple artshistorier mere end menneskelig evolution har gjort. Denne nye genomiske forskning tyder på, at pattedyrarter kan skjule komplicerede evolutionære historier."

Beviser fra moderne bjørne-genomer – og DNA fra en gammel tand

Undersøgelsen analyserede genomerne af 64 moderne isbjørne og brune bjørne, herunder flere nye genomer fra Alaska, en stat, hvor begge arter findes.

Holdet producerede også et nyt, mere komplet genom til en isbjørn, der levede for 115.000 til 130.000 år siden i Norges Svalbard-øhav. DNA til den ældgamle isbjørn blev udvundet fra en tand knyttet til et subfossilt kæbeben, som nu er til huse på Naturhistorisk museum ved Universitetet i Oslo.

Ved hjælp af dette datasæt anslår forskere, at isbjørne og brune bjørne begyndte at blive forskellige arter for omkring 1,3 til 1,6 millioner år siden, hvilket opdaterer tidligere vurderinger foretaget af nogle af de samme videnskabsmænd. Splittelsens alder har været og forbliver et emne for videnskabelig debat, med tidligere krydsning og begrænsede fossile beviser for gamle isbjørne blandt faktorer, der gør timingen svær at udpege, siger Lindqvist.

Under alle omstændigheder:Efter at være blevet deres egen art, udholdt isbjørne dramatisk befolkningstilbagegang og en langvarig genetisk flaskehals, hvilket efterlod disse bjørne med meget mindre genetisk diversitet end brune bjørne, konkluderer den nye undersøgelse. Resultaterne bekræfter tidligere forskning, der peger på de samme tendenser, og tilføjer beviser til støtte for denne hypotese.

Sammen med analysen af ​​genflow giver disse resultater ny indsigt i isbjørnes og brune bjørnes rodede, sammenflettede evolutionære historie.

Det internationale forskerhold omfattede forskere fra UB, LANGEBIO, Texas Tech, University of Oulu, Far Northwestern Institute of Art and Science, Alaska Department of Fish and Game, Natural History Museum ved Universitetet i Oslo, Nanyang Technological University, Helsinki Universitet og Aarhus Universitet.