Międzynarodowy zespół z udziałem badaczki Uniwersytetu Warszawskiego analizował zjawisko paralelizmu ewolucyjnego u koniczyny białej. Naukowcy chcieli się dowiedzieć, czy rośliny mogą w podobny sposób przystosowywać się do środowiska miejskiego w różnych miastach na świecie.
Rozwój aglomeracji miejskich wpływa zarówno na przebieg zmian środowiskowych, jak i ewolucyjnych. Miasta rozrastają się w szybkim tempie, dostosowując się do coraz większej liczby mieszkańców. Są same w sobie nowym ekosystemem. Ostatnie badania wskazują, że zmiany w środowisku miejskim mogą wpływać na cztery procesy ewolucyjne: mutacje, dryf genetyczny, przepływ genów i adaptację będącą wynikiem doboru naturalnego.
Koniczyna pod lupą
Naukowcy pod kierunkiem prof. Marca T. Johnsona, prof. Roba Nessa i doktoranta Jamesa Santangelo z University of Toronto Mississauga postanowili zbadać, czy rośliny mogą w podobny sposób przystosowywać się do środowiska miejskiego w różnych miastach na świecie (tzn. czy występuje zjawisko paralelizmu ewolucyjnego). Przyjrzeli się w tym kontekście koniczynie białej (Trifolium repens L., Fabaceae), obecnej w niemal każdym mieście na Ziemi. Jej populacje są polimorficzne pod względem produkcji cyjanowodoru (HCN) stanowiącego ochronę przed roślinożercami. Oznacza to, że istnieją rośliny cyjanogenne i acyjanogenne. Wpływ na cyjanogenezę mogą mieć procesy urbanizacyjne.
Zespół Global Urban Evolution Project (GLUE), złożony z 287 naukowców, zbadał populacje koniczyny białej rosnące w miastach z różnych stref klimatycznych. Pobrano w tym celu 110 019 próbek roślin ze 160 miast w 26 państwach. W pracach uczestniczyła dr hab. Marta Szulkin z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego.
Protokół zbierania koniczyny do projektu był ten sam dla wszystkich 160 miast – dla każdego miasta próby były pobierane z 50 stanowisk ustawionych liniowo na gradiencie urbanizacji. W naszym przypadku próby były pobierane na odległości ok. 30 km, od Powiśla do okolic Góry Kalwarii, a następnie analizowane biochemicznie w naszym laboratorium. Wyniki oraz próby DNA przesłaliśmy dalej do Kanady – opisuje prof. Marta Szulkin.
Jak dodaje, badania zostały zainicjowane w bardzo nietypowy sposób: prof. Marc Johnson, przebywając na urlopie naukowym, jeździł po świecie z rodziną, tym samym zbierając koniczynę w wielu miastach Azji i Ameryki Południowej. Zainspirował później wielu naukowców, ale też studentów i przyrodników, aby dołączyli do projektu.
Nigdy wcześniej nie prowadzono ani badań terenowych nad ewolucją na taką skalę, ani globalnych analiz dotyczących tego, w jaki sposób urbanizacja wpływa na ewolucję. Nie udałoby się tego zrobić bez naszych współpracowników z całego świata – tłumaczy prof. Johnson.
Badacz nazywa ten projekt również modelem nauki inkluzywnej. W skład zespołu weszli nie tylko uznani naukowcy, ale także studenci wszystkich szczebli i ze wszystkich zamieszkanych kontynentów świata.
Jak się mają rośliny w Melbourne, Toronto i w Warszawie?
To, co odkryli badacze, jest najbardziej jak dotąd wyraźnym dowodem na to, że ludzie, a w szczególności mieszkańcy miast, wpływają na ewolucję życia na całym świecie. Od Toronto po Tokio, od Melbourne po Warszawę, koniczyna biała często ewoluuje w bezpośredniej odpowiedzi na zmiany środowiskowe zachodzące w środowisku miejskim.
Od dawna wiemy, że w dość znaczący sposób przekształciliśmy miasta i zmieniliśmy środowisko i ekosystemy – przyznaje James Santangelo z UTM. – Dzięki naszym badaniom udowodniliśmy, że często dzieje się to w podobny sposób w skali globalnej – dodaje.
Badania GLUE pokazują, że warunki środowiskowe w miastach są zazwyczaj bardziej podobne do siebie niż do pobliskich siedlisk wiejskich. W tym sensie centrum Toronto jest pod wieloma względami bardziej porównywalne do centrum Tokio niż do okolicznych pól uprawnych i lasów poza miastem.
Naukowcy nie tylko byli w stanie zaobserwować globalną adaptację do miast, ale zidentyfikowali także genetyczne podstawy tej adaptacji oraz środowiskowe czynniki ewolucji. Koniczyna biała produkuje cyjanowodór zarówno jako mechanizm obronny przed roślinożercami, jak i w celu zwiększenia swojej tolerancji na stres wodny. Okazało się, że koniczyna rosnąca w miastach wytwarza mniej HCN niż ta na sąsiadujących z nią obszarach wiejskich, co wynika z powtarzającej się adaptacji do środowiska miejskiego.
Ochrona rzadkich gatunków
W 2020 roku ukazała się książka „Urban Evolutionary Biology” poświęcona procesom ewolucyjnym w mieście, które pojawiły się jako konsekwencje ludzkiej działalności oraz urbanizacji. Jej współredaktorką była prof. Szulkin. Uczona zwraca uwagę, że badania nad miejską biologią ewolucyjną przeżywają prawdziwy rozkwit.
Bardzo cieszy mnie to, że coraz dokładniej przyglądamy się przyrodzie w mieście i staramy się zrozumieć procesy biologiczne i ewolucyjne, dzięki którym przynajmniej niektóre organizmy żywe radzą sobie w mieście dobrze. Jestem pewna, że zaangażowanie ludzi – naukowców, nauczycieli i pasjonatów – w badania z zakresu biologii ewolucyjnej miast będzie kluczowe dla zrobienia znaczących postępów w tej dziedzinie nauki. Konstruktywne wykorzystanie mediów społecznościowych, aby zainspirować ludzi do działania i zebrania wysokiej jakości danych dzięki dobrze przygotowanemu programowi badawczemu, też jest jednym z bardzo ważnych przesłań naszej pracy – dodaje.
Z kolei prof. Marc T. Johnson sugeruje, że wyniki badań mogłyby posłużyć do opracowania strategii, które pozwolą lepiej chronić rzadkie gatunki i umożliwią im adaptację do środowiska miejskiego. Jego zdaniem, może to również pomóc nam lepiej zrozumieć, jak zapobiegać adaptacji niepożądanych szkodników i chorób do środowiska ludzkiego.
Artykuł z wynikami badań zespołu GLUE ukazał się na łamach czasopisma „Science”. Został ponadto wyróżniony na okładce najnowszego numeru. Publikacja jest dla naukowców początkiem badań na szerszą skalę. Ponad 110 tys. zebranych próbek koniczyny i ponad 2,5 tys. zsekwencjonowanych genomów tej rośliny pozwoliły utworzyć ogromny zbiór danych, który posłuży do wielu analiz w przyszłości.
MK, źródło: UW