Zmienność materiału genetycznego pozwala pchle wodnej bronić się przed pasożytami, zmuszając pasożyty do adaptacji. Ta koewolucyjna pętla trwa od co najmniej 15 milionów lat, jak wykazali badacze z Uniwersytetu w Bazylei.
Gospodarze i ich pasożyty są w ciągłej konkurencji. Dzięki różnorodności genetycznej gospodarz może zmienić się w taki sposób, że infekcja nie jest już możliwa. Jednak pasożyt szybko się adaptuje – i gra zaczyna się od nowa. W biologii ewolucyjnej nazywa się to również „modelem Czerwonej Królowej” na cześć postaci z książki Alicja w Krainie Czarów który ciągle biegnie i nigdzie nie dociera.
Procesy te mogą zachodzić bez przerwy przez wiele milionów lat, jak donosi obecnie w czasopiśmie grupa badawcza z Wydziału Nauk o Środowisku Uniwersytetu w Bazylei Komunikacja w naturze. To znacznie dłuższy okres, niż wcześniej sądzono. W ramach badania zespół kierowany przez profesora Dietera Eberta porównał materiał genetyczny pcheł wodnych wielkości milimetra, zainfekowanych bakterią pasożytniczą.
Pasożyt wnika do jelit pchły wodnej, gdzie przyczepia się do warstwy śluzu. Pchła wodna może odeprzeć infekcję, zmieniając cząsteczki, które są przymocowane do powierzchni tego śluzu. Następnie pasożyt dostosowuje swoją powierzchnię do zmienionej struktury śluzu i na krótko znów jest na prowadzeniu. Ten proces koewolucji zapewnia, że wiele wariantów genetycznych dla cząsteczek powierzchniowych jest zawsze zachowanych u pchły wodnej, bez przewagi jednego z nich.
Patrząc jeszcze głębiej w przeszłość
Jak dotąd badacze byli w stanie prześledzić tę koewolucję między pchłą wodną a pasożytem aż do okresu sprzed ostatniej epoki lodowcowej, około 100 000 lat temu. „Teraz zrobiliśmy kolejny wielki krok naprzód i byliśmy w stanie wykazać, że proces ten sięga co najmniej 15 milionów, a może nawet 70 milionów lat wstecz” — mówi profesor Ebert. Szczególnie zadziwiające jest to, że proces ten odbywał się bez przerwy, mimo że warunki życia na Ziemi zmieniały się dramatycznie kilkakrotnie w tym okresie. „Nie mówimy o różnicy temperatur wynoszącej jeden lub dwa stopnie, ale o wahaniach przekraczających 10 stopni, w tym o wielu epokach lodowcowych”. Proces ten mógł nawet przetrwać uderzenie meteorytu, które obwinia się za wyginięcie dinozaurów.
Zespół badawczy wykorzystał trzy różne gatunki pcheł wodnych zebrane z naturalnych populacji w Ameryce Północnej, Afryce, Europie i Azji. Analiza filogenetyczna wykazała, że gatunki te oddzieliły się co najmniej 15 milionów lat temu. Niemniej jednak wszystkie były podatne na tę samą bakterię pasożytniczą.
Następnie badacze odkryli kilka sekcji w materiale genetycznym pchły wodnej, które kodowały składniki układu odpornościowego i wykazywały wysoki stopień zmienności. Ta różnorodność pozwala pchle wodnej na ciągłe odmawianie dostępu pasożytowi. Co zaskakujące, te zmienne regiony znaleziono w tych samych sekcjach materiału genetycznego u wszystkich gatunków pcheł wodnych. Pokazuje to, że koewolucja między pchłami wodnymi a pasożytem rozpoczęła się przed oddzieleniem się gatunku żywiciela, co najmniej 15 milionów lat temu. Oznacza to również, że proces ten był nieprzerwany – ponieważ przerwanie oznaczałoby utratę wariantów genetycznych w stosunkowo krótkim czasie.
Niższa zmienność, większa podatność na infekcje
„Mamy tendencję do myślenia, że ewolucja zawsze wymyśla coś nowego. Tutaj udało nam się wykazać, że te same warianty genów były używane wielokrotnie przez długie okresy czasu” — mówi Ebert. U ludzi również zmienność genetyczna zapewnia elastyczny układ odpornościowy — na przykład w „kompleksie zgodności tkankowej”, który rozpoznaje i zwalcza obce struktury. Jednak nikt nie zdołał prześledzić tych procesów aż tak daleko wstecz. I w przeciwieństwie do pchły wodnej, wydaje się, że obejmuje wiele patogenów. „Różnorodność genetyczna zapewnia ochronę przed chorobami zakaźnymi, w tym nowymi chorobami. Dlatego tak ważne jest zrozumienie, w jaki sposób ta zmienność jest utrzymywana przez długie okresy czasu” — mówi biolog ewolucyjny.
Oryginalna publikacja
Luca Cornetti, Peter D. Fields, Louis Du Pasquier i Dieter Ebert Długoterminowa selekcja równoważąca w celu uzyskania odporności na patogeny utrzymuje polimorfizmy transgatunkowe u skorupiaków planktonowych.
Komunikacja przyrodnicza (2024), doi: 10.1038/s41467’024 -49726-8
