Człowiek przekształca środowisko, w którym żyje. Szczególnie widoczne jest to w miastach. Urbanizacja powoduje m.in. zmiany ewolucyjne u roślin. Czy jednak np. koniczyna biała będzie w podobny sposób dostosowywała się do warunków miejskich w niemieckim Münster, chilijskim Temuco i w Warszawie? Zbadali to naukowcy pod kierownictwem University of Toronto Mississauga. Wyniki ich badań opublikowano w „Science”. Współautorką publikacji jest prof. Marta Szulkin z Centrum Nowych Technologii UW.
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 wykazują, 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 kierownictwem prof. Marca T. Johnsona, prof. Roba Nessa i doktoranta Jamesa Santangelo z University of Toronto Mississauga (UTM) postanowili zbadać, czy rośliny mogą w podobny sposób przystosowywać się do środowiska miejskiego w różnych miastach na całym świecie (tzn. czy występuje zjawisko paralelizmu ewolucyjnego). Badacze 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.
287 naukowców z zespołu Global Urban Evolution Project (GLUE) zbadało populacje koniczyny białej rosnące w miastach z różnych stref klimatycznych. Pobrali w tym celu 110 019 próbek roślin ze 160 miast w 26 państwach. W pracach zespołu uczestniczyła dr hab. Marta Szulkin, prof. ucz. z Centrum Nowych Technologii UW oraz Justyna Szulc, była pracowniczka CeNT-u.
– 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 zostały przesłane dalej do Kanady – mówi prof. Marta Szulkin.
Jak dodaje naukowczyni, 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 – mówi 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.
Badania GLUE wykazały, 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
– Badania te pozwalają zrozumieć, w jaki sposób ludzie zmieniają ewolucję życia wokół nas. Jest to ważne nie tylko dla ekologów i biologów ewolucyjnych, ale też dla całego społeczeństwa – mówi prof. Rob Ness z UTM.
– Badania nad miejską biologią ewolucyjną przeżywają prawdziwy rozkwit – tłumaczy prof. Marta Szulkin, redaktor wiodąca pierwszej książki akademickiej o tej dziedzinie nauki, która ukazała się w 2020 roku wydawnictwie Oxford University Press. – 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 badaczka.
– Teraz, gdy wiemy, że ludzie są siłą napędową ewolucji w miastach na całej planecie, informacje te można wykorzystać do opracowywania strategii, które pozwolą lepiej chronić rzadkie gatunki i umożliwią im adaptację do środowiska miejskiego – mówi prof. Marc T. Johnson. Może to również pomóc nam lepiej zrozumieć, jak zapobiegać adaptacji niepożądanych szkodników i chorób do środowiska ludzkiego.
Publikacja artykułu w „Science” jest dla zespołu GLUE początkiem badań na szerszą skalę. Ponad 110 000 zebranych próbek koniczyny i ponad 2,5 tys. zsekwencjonokanych genomów tej rośliny pozwoliły utworzyć ogromny zbiór danych, który posłuży do wielu analiz w przyszłości.
