Kuinka geneettisen monimuotoisuuden poolit vaikuttavat lajin kohtaloon

Maaliskuussa 2018 Ol Pejeta Conservancyssa Keniassa omistautuneiden vartijoidensa ympäröimänä Sudanin pohjoinen valkoinen sarvikuono henkäisi henkensä. Hän ei ollut ainoa jäljellä oleva pohjoinen valkoinen sarvikuono, koska kolme suojaavankeudessa olevaa naarasta selvisi hänestä. Mutta Sudanin kuolema lopetti kaiken toivon näiden naaraiden lisääntymisestä luonnollisesti ja teki pohjoisen valkoisen sarvikuonon käytännössä sukupuuttoon. Hetki nousi otsikoihin, ja maailma valitti korkean profiilin sukupuuttoon.

Mutta se ei ollut todellinen lajien sukupuuttotapahtuma. Pohjoisen valkoiset sarvikuonot ovat vain erillinen valkoisen sarvikuonon alaryhmä tai alalaji. Eteläisessä alalajissa on vielä yli 10,000 XNUMX valkoista sarvikuonoa. Valkoiset sarvikuonot eivät lajina ole edes uhanalaisia.

Siitä huolimatta Sudanin kuolemasta lähtien Cynthia Steiner, San Diego Zoo Wildlife Alliancen suojelugenetiikan apulaisjohtaja, ja hänen kollegansa ovat tehneet paljon vaivaa yrittääkseen käynnistää uudelleen pohjoisen alalajin. He työskentelevät muuttaakseen jäljellä olevilta naisilta kerätyt kantasolut alkiot koeputkihedelmöitykseen. He haluavat lisää pohjoisen valkoisia sarvikuonoja, ja eteläisten valkoisten sarvikuonojen urosten geenien sekoittaminen ei vain auta.

"Aiemmin ihmiset sanoivat, että meidän on pelastettava laji", Steiner selitti. "Mutta se ei riitä, jos ajattelee sitä. Kun puhut lajeista, et ota huomioon kaikkien lajien muodostavien eri ryhmien koko evoluutiopotentiaalia. Siksi uusi käsitys on: Haluamme todella pelastaa lajin geneettisen rakenteen, nämä erilaiset populaatiot - alalajit - joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia genomisella tasolla."

Biologit ovat viime vuosina kehittäneet syvempää ymmärrystä siitä, kuinka geneettisen monimuotoisuuden ja populaatiorakenteen välinen suhde voi vaikuttaa lajin kohtaloon. He ovat jo pitkään ymmärtäneet, kuinka maantiede ja ekologiset vaihtelut jakavat lajit usein alalajeihin tai muihin pieniin yksilöllisiin populaatioihin, jotka liittyvät läheisemmin toisiinsa kuin ulkopuolisiin. Nyt, parempien työkalujen ja tekniikoiden avulla luonnonvaraisten olentojen genomien tutkimiseen, tutkijat löytävät täyden laajuuden siitä, kuinka paljon näiden populaatioiden sisällä ja niiden välillä oleva geneettinen dynamiikka voi vaikuttaa siihen, kuinka joustavasti laji voi kehittyä ja sopeutua muuttuviin olosuhteisiin. ajan myötä. Nämä erilliset populaatiot voivat joskus toimia turvapaikkoina tai varastoina harvinaisille geeneille, ja niistä voi tulla lajin pelastus, jos uudet uhat yhtäkkiä tekevät näistä geeneistä arvokkaampia. Toisaalta, jos pienemmät populaatiot eristyvät liikaa, ne voivat kuolla sukupuuttoon ja saada lajin geneettisen monimuotoisuuden palaset katoamaan ikuisesti.

Se on tärkeä näkemys siitä, miten lajit luonnollisesti mukautuvat ja kehittyvät. Onneksi monien sarvikuonojen, valaiden, pantterien, sammakkoeläinten ja muiden uhanalaisten organismien osalta ympäri maailmaa tämä geneettisen monimuotoisuuden ja populaatiodynamiikan rikkaampi ymmärtäminen voi myös auttaa luonnonsuojelualan ammattilaisia ​​tekemään parempia valintoja uhanalaisten eläinten pelastamiseksi.

Mutta valinnat merkitsevät joskus syvällisempää pohtimista ratkaisevaan kysymykseen: Kun yritämme pelastaa lajin, mitä me tarkalleen ottaen yritämme pelastaa?

Ei vain lajeja

Biologit käyttävät tyypillisesti "lajeja" leimana "lisääntymisen kannalta eristetyille" organismipopulaatioille, jotka yleensä lisääntyvät keskenään eivätkä ulkopuolisten kanssa. Itse asiassa laji on pesimäpooli, jossa on kaikki geenien muunnelmamuodot (tai alleelit), joita tietyssä organismityypissä voi löytää. Lajikonsepti on modernin biologian ja evoluutioteorian kulmakivi, vaikka sitä onkin kritisoitu voimakkaasti siitä, ettei se ole pystynyt vangitsemaan todellisuutta siitä, kuinka jotkut organismit todella käyttäytyvät ja lisääntyvät.

Vaikka lajit ovatkin geeniryhmiä, ne eivät kuitenkaan ole tasaisesti sekoittuneet. Niiden sisällä olevat alaryhmät voivat lisääntyä toistensa kanssa useammin, ja niille voi kehittyä joukko erityisiä piirteitä. Naturalistit tunnistavat joskus tällaiset ryhmät alalajiksi. Mutta jopa ilman alalajimerkintää, lajissa (tai jopa alalajissa) voi olla yksilöiden populaatioita, joilla on tunnistettava identiteetti ajan myötä.

- Yhdysvaltain uhanalaisten lajien laki 1973 oli aikaansa edellä tässä: se on aina sallinut "mitä tahansa erillistä populaatiosegmenttiä", ei vain täysin erillisiä lajeja. Neljännes USA:n luettelossa olevista uhanalaisista "lajeista" on itse asiassa alalajeja, mukaan lukien tunnetut esimerkit, kuten Floridan pantterit, pohjoisen pöllöt ja meksikolaiset harmaat sudet.

Ajatuksena on ottaa huomioon lajin nykyisen selviytymisen lisäksi sen mahdollinen evoluutionaalinen kyky sopeutua ympäristömuutosten tai uusien sairauksien edessä tulevaisuudessa. Tämän sietokyvyn lähde on sen geneettinen monimuotoisuus. Jos uusi tuholainen tai tauti iskee geneettisesti monimuotoiseen populaatioon, kaikki yksilöt, jotka sattuvat olemaan luonnostaan ​​vastustuskykyisiä, voivat selviytyä siitä ja lisääntyä. Jos kaikki yksilöt ovat geneettisesti samanlaisia ​​ja niiltä puuttuu vastustuskyky, populaatio kuolee sukupuuttoon.

Tätä tapahtuu tällä hetkellä Pohjois-Amerikan metsissä, joissa kymmenet miljoonat tuhkat ovat antautuneet kovakuoriaiselle, smaragdituhkaporalle. Jotkut yksittäiset saarnipuut ovat kuitenkin geneettisesti vastustuskykyisiä kovakuoriaisille, ja ne ovat lajin viimeinen toivo.

Populaatiorakenne vaikuttaa geneettiseen monimuotoisuuteen, koska joskus harvinaiset geenimuunnokset pystyvät selviytymään vain hankkimalla erillään osapopulaatioihin edistää heidän selviytymistään. Lisäksi tutkijat ovat havainneet, että geneettisen monimuotoisuuden merkitys ylittää populaation erityiset geneettiset ominaisuudet. Viimeaikaiset tutkimukset ovat auttaneet vahvistamaan ehdotus by Michael Lynch, Arizonan osavaltion yliopiston evoluutiobiologi, että luonnollisen valinnan tehokkuus riippuu "tehokkaasta populaation koosta", joka kuvaa geneettisen monimuotoisuuden määrää; tämä määrää, kuinka nopeasti tai hitaasti lajit (ja niiden populaatiot) voivat kehittyä, mikä puolestaan ​​vaikuttaa siihen, kuinka hyvin lajit voivat sopeutua tai hajoavatko ne uusiksi lajiksi.

Tästä syystä luonnonsuojelijat eivät yksinkertaisesti vapauttaneet viimeisiä yksinäisiä pohjoisen valkosarvikuonon naaraita eteläiseen populaatioon ja kutsuneet sitä päiväksi, ja miksi Steinerin ryhmä on yrittänyt luoda pohjoisen valkoisen sarvikuonon alkioita. Sekä pohjoisen että eteläisen alalajin pitäminen erillään säilyttää paremmin valkoisen sarvikuonon lajin sopeutumispotentiaalin kokonaisuutena säilyttämällä kummankin ainutlaatuiset ominaisuudet ja täyden geneettisen monimuotoisuuden.

Sukusiitos pullonkaula

Kun laji tai populaatio pienenee liian pieneksi, se voi menettää enemmän kuin mukautumiskykynsä selviytyä tulevista uhista. Se voi menettää kykynsä ylläpitää itseään, kuten nähtiin kohdassa a miekkavalaiden tutkimus, tai orcas, joka julkaistiin maaliskuussa vuonna Nature Ecology & Evolution.

Tyynenmeren luoteisosan rannikolla ravintoverkkoa hallitsevilla miekkavalailla on ollut rankka vuosisata. Nämä orkat ovat nähneet ravintovarastojensa ehtyneen ihmisten liikakalastuksen vuoksi. Niiden vedet ovat saastuneet yhä enemmän. Kaupallisista aluksista tuleva vedenalaisen melun lisääntyvä kakofonia häiritsee nyt nisäkkäiden kaikulokaatiota. Mutta heidän olosuhteet eivät ole kaikki olleet vakavia: Vaikka nämä rannikkoorkat ovat edelleen uhanalaisten luettelossa, Yhdysvalloissa ja Kanadassa 1970-luvulla säädetyt lait ovat suojelleet niitä metsästyksellä ja häirinnällä, minkä ansiosta useimmat – mutta eivät kaikki – populaatiot ovat ainakin elpyneet. hieman viime vuosikymmeninä.

Ainoa poikkeus on ollut väestö, joka tunnetaan nimellä etelän asukkaat. Tämä alle 100 orkan ryhmä ulottuu Brittiläisestä Kolumbiasta Kalifornian rannikolle, ja huolimatta siitä, että heillä on sama suoja kuin pohjoisemmilla serkuilla, ne ovat jatkaneet vähenemistä. (Ne määriteltiin uhanalaisiksi vuonna 2005.) Syy tähän paljastettiin uudessa tutkimuksessa: Orkat kärsivät klassisesta "siitosiitosmasennusta", joka haittaa niiden kykyä tuottaa hedelmällisiä nuoria.

Jopa terveiden populaatioiden genomiin on levinnyt haitallisia geenejä, joita kutsutaan haitallisiksi resessiivisiksi alleeleiksi. Vain organismit, joilla on kaksi kopiota näistä alleeleista, yksi kummaltakin vanhemmalta, kärsivät terveysongelmista. Yksilöt, joilla on vain yksi kopio, ovat sairauden kantajia. Useimmissa populaatioissa todennäköisyys, että kaksi kantajaa kokoontuu yhteen, on suhteellisen pieni, mutta jos näin tapahtuu, keskimäärin puolet heidän jälkeläisistään ilmaisee vian.

Kun populaatiot ovat niin pieniä, että lähisukulaiset lisääntyvät, yksilöillä on todennäköisemmin samat geenimuunnelmat kuin kumppanillaan. Kantajat lisääntyvät silloin paljon todennäköisemmin muiden kantajien kanssa. Haitalliset resessiiviset alleelit yleistyvät populaatiossa, samoin kuin niiden aiheuttamien vikojen ilmentyminen.

Yllättäen viimeaikaiset tutkimukset ovat paljastaneet, että kaikki pienet populaatiot eivät ole vaarassa saada sukusiitosmasennusta. Sukusiitos näyttää olevan haitallisinta aiemmin suurille populaatioille, jotka ovat nyt pieniä, kuten näyttää olevan tilanne etelässä asuvien orkien kohdalla. Organismit, joilla on aina ollut pieni populaatio, kuitenkin joskus kehittävät sille eräänlaisen vastustuskyvyn.

Yksi tämän hetken pienimmistä luonnonvaraisista populaatioista on äärimmäisen uhanalainen pyöriäinen, joka ui vain Kalifornianlahden pohjoisimmilla vesillä Meksikossa. Sen määrä on pudonnut vain noin kymmeneen yksilöön, koska alueella jatkuu laiton verkkokalastus, joka on tarkoitettu samankokoisten kalojen pyyntiin, mutta joka usein vangitsee pienet pyöriäiset. Koska eläimiä on jäljellä niin vähän, tulevat lajin pelastamisyritykset saattavat näyttää olevan tuomittu sukusiitoksen vuoksi.

Silti milloin Chris KyriazisLos Angelesin Kalifornian yliopiston luonnonsuojelubiologi ja kansainvälinen tutkijaryhmä analysoivat äskettäin tunnettujen jäljellä olevien vaquitojen ja joidenkin säilyneiden yksilöiden genomeja, ja he päätyivät yllättävään johtopäätökseen. Kuten he kuvattu viime vuonna in tiede, kaikki jäljellä olevat vaquitas näyttivät olevan terveitä ja lisääntyviä. Tuskin millään yksittäisistä vaquitoista oli kopioita haitallisista alleeleista, joten sukusiitos ei ollut heille ongelma.

Väestömallien avulla tutkijat rekonstruoivat, mikä vaquitojen geneettinen profiili saattoi olla aiemmin. He päättelivät, että koska vaquita-populaatio on aina ollut suhteellisen pieni, luonnollinen valinta eliminoi suurimman osan haitallisista geeneistä populaatiosta ja vähensi jäljellä olevien geenien esiintymistiheyttä kauan ennen kuin kidusverkoista tuli ongelma.

"Kun populaatiot ovat historiallisesti pieniä ja alhainen luku on monien kymmenien tuhansien vuosien takaa, seurauksia … aliarvioida suojelussa", Kyriazis sanoi. "Se valmistaa sinua pullonkauloihin."

Löydökset korostavat lajin historian ja nykyisen geneettisen rakenteen ymmärtämisen tärkeyttä sen monimuotoisuuden ymmärtämiseksi täysin. Ja ne osoittavat, että geneettisen monimuotoisuuden parempi ymmärtäminen voi paljastaa näkemyksiä lajin historiasta.

Geneettinen pelastus

Useimmat uhanalaiset tai uhanalaiset lajit eivät voi väittää, että vaquita vastustaa sukusiitoksen haittoja. Sukupuuton partaalla oleville lajeille tai populaatioille paras suojelustrategia voi joskus olla ulkopuolisten tuominen sisään terveiden hallitsevien alleelien palauttamiseksi pesimäaltaaseen. "Kun esitellään geneettisesti erilaisia ​​yksilöitä, vaarassa olevien populaatioiden evoluutiopotentiaali saattaa kasvaa ja vuorostaan ​​koko lajin sietokyky", Steiner sanoi. "Tämä on geneettisen pelastuksen käsite."

Geneettisellä pelastuksella on ollut suuria menestyksiä. 1990-luvulle mennessä Floridan pantterien (puman uhanalainen alalaji) populaatio oli pudonnut alle 30 yksilöön, ja jäljellä olevilla kissoilla oli sydänvikoja, taittunut häntä, huono sperman laatu, geneettisiä sairauksia ja lisääntymisongelmia. Sitten luonnonsuojelijat esittelivät vain kahdeksan uutta naaraspumaa eri alalajista Länsi-Texasissa. Nykyään geneettinen vaihtelu on kaksinkertaistunut, ja Floridan pantterien määrä on kaksinkertaistunut pomppasi takaisin arviolta 120-230 yksilölle.

Tällainen ulkosiitos ei ole edes luonnotonta. Tutkimukset osoittavat sen jopa hybridisaatiota eri lajien välillä on luonnossa yleisempää kuin voisi odottaa. Hybridit ja populaatiot rajavyöhykkeillä ovat usein tärkeitä lajien suojelemiseksi lisäämällä niihin uusia geenejä tai toimimalla varastoina geeneille, jotka eivät ehkä ole tällä hetkellä edullisia, mutta voivat olla hyödyllisiä tulevaisuudessa.

Kaikki eivät kuitenkaan ole mukana ajatuksessa geneettisestä pelastuksesta risteytyspopulaatioiden kautta. Osa vastustuksesta on idealistista: Suojelussa "monet ihmiset ajattelevat, että lajien puhtauden ja evoluutiohistorian säilyttämisen pitäisi olla suojelustrategioiden päätavoite", Steiner sanoi. "Mutta aggressiivisempia suojelutoimia voidaan tarvita, kun populaatioiden sopeutumiskyky on vaarassa."

Osa geneettisen pelastuksen epäröimisestä johtuu todennäköisesti myös muistoista menneistä virheistä, kun liian kaukaisten sukua olevien organismien risteytyminen johti omiin ongelmiinsa, joita kutsutaan outbreeding-masennusksi. Jotkut organismit eri populaatioista näyttävät hyvin samanlaisilta, pystyvät fyysisesti pariutumaan ja voivat jopa tuottaa eläviä jälkeläisiä, mutta näiden hybridien pitkän aikavälin elinkelpoisuus tai hedelmällisyys osoittautuu huonoksi. Esimerkiksi lajin eri populaatioissa voi olla eri määrä kromosomeja – se on yllättävän yleinen ilmiö jyrsijöillä. Lisääntymisen ajoitukseen vaikuttavien ominaisuuksien yhteensopimattomuus voi jättää hybridin etsimään puolisoa joko ennen parittelukautta tai sen jälkeen.

"Se riippuu myös tietyn väestön ominaisuuksista", sanoi Amro Zayed, luonnonsuojelubiologi Yorkin yliopistossa Torontossa. "Ovatko ne paikallisesti mukautettuja? Jos ne ovat, ne olisivat vaarassa kuolla sukupuuttoon sekoittumisesta." Koska populaatiot ovat usein hyvin sopeutuneet omiin olosuhteisiinsa, sekajälkeläisiltä voi puuttua ominaisuuksia, jotka ovat kriittisiä selviytymiselle kumman tahansa vanhempiensa elinympäristöstä.

Kaikki nämä ongelmat tarkoittavat, että yritettäessä tuoda populaatiolle enemmän geneettistä monimuotoisuutta liian holtittomasti, voi joskus olla intuitiivinen vaikutus, joka vähentää tätä monimuotoisuutta. Luonnonsuojelijan on punnittava huolellisesti, saavuttaako tiettyjen populaatioiden sekoittaminen sen, mitä he toivovat.

Esimerkiksi uhanalainen vuori keltajalkainen sammakko (Rana muscosa) elää kahdessa erillisessä populaatiossa Kaliforniassa, joita biologit kutsuvat hallintayksiköiksi. Vankeudessa jalostusohjelma on nyt meneillään niiden määrän lisäämiseksi. Tällä hetkellä kasvattajat pitävät sammakot erillään kahdesta yksiköstä, mutta toinen luonnonvaraisista populaatioista vähenee nopeammin kuin toinen ja osoittaa merkkejä sisäsiitosta ja alhaisesta geneettisestä monimuotoisuudesta. "Nyt käydään keskustelua siitä, onko geneettinen pelastus sopiva suojelustrategia tälle lajille", Steiner sanoi.

Nykypäivän luonnonsuojelijan ei kuitenkaan tarvitse arvailla mitä jos. Koska käytössään on yhä enemmän tietoa lajien genetiikasta ja ominaisuuksista, heillä on hyvät valmiudet verrata masennuksen ulkosiitosriskiä populaatioiden erillään pitämisen riskiin, varsinkin kun näiden populaatioiden geneettinen monimuotoisuus on vähäistä.

Lisäksi tutkijat huomaavat yhä useammin, että lajit eivät ehkä ole tärkein biologinen yksikkö suojelulle. Vuoden 2022 World Wildlife Fund Living Planetin raportti katseli raportteja kymmenistä tuhansista väestöryhmistä eri puolilta maailmaa viime vuosikymmeninä. Se havaitsi, että vuosina 1970–2018 näiden populaatioiden koko pieneni keskimäärin 69 prosenttia. Lasku oli jopa jyrkempää joissakin osissa maailmaa, kun Latinalaisessa Amerikassa ja Karibialla tappiot nousivat 94 prosenttiin pääasiassa trooppisten metsien hävittämisen vuoksi. Tällaiset menetykset ovat valtava isku monimuotoisuudelle, ja ne korostavat, kuinka paljon sopeutumispotentiaalia todennäköisesti menetetään ekosysteemeissä maailmanlaajuisesti.

"On tärkeää olla ylikuormittumatta ja muistaa, että teemme mitä voimme", Steiner sanoi. "Pantojen vähenemisen seuraaminen on mielestäni paljon tehokkaampaa kuin vain katoavien lajien määrän seuraaminen, sillä seuraamalla populaatioiden vähenemistä voidaan itse asiassa tehdä tehokkaampia toimia."