Czy ewolucja nadąży za zmianą klimatu? Nowe badanie daje nadzieję

Zmianę klimatu zwykle kojarzymy z wymieraniem gatunków. Naukowcy od dawna zastanawiają się jednak, czy w niektórych przypadkach natura może się obronić sama. Nowe badanie opisuje przykład tzw. ratunku ewolucyjnego, czyli sytuacji, w której populacja zagrożona wyginięciem przetrwała dzięki bardzo szybkiej zmianie genetycznej.

Chodzi o roślinę Mimulus cardinalis, znaną jako "szkarłatny kwiat małpi". Gatunek ten rośnie wzdłuż strumieni w zachodniej części Ameryki Północnej i jest silnie uzależniony od wilgotnych warunków. Podczas wyjątkowej suszy w Kalifornii w latach 2012-2015 wiele populacji zaczęło gwałtownie się kurczyć.

Zespół kierowany przez Daniela Anstetta z Cornell University badał te rośliny od 2010 r. Naukowcy co roku monitorowali populacje w wielu miejscach, analizując ich kondycję oraz sekwencjonując DNA. Dzięki temu mogli dokładnie prześledzić, jak zmienia się struktura genetyczna roślin w czasie.

Szkarłatny kwiat małpi jest rośliną wyjątkowo wrażliwą na brak wody. Jak mówi Daniel Anstett, "gdyby włożyć ją do doniczki i przez kilka dni nie podlewać, po prostu by umarła" - tłumaczy badacz. Nic więc dziwnego, że ekstremalna susza była dla tych roślin poważnym zagrożeniem.

Trzy lokalne populacje rzeczywiście zniknęły. W innych doszło jednak do czegoś zaskakującego. Analiza DNA wykazała, że w ciągu zaledwie trzech lat w wielu populacjach pojawiły się mutacje związane z tolerancją na suszę. To właśnie te populacje najszybciej zaczęły się odbudowywać po zakończeniu ekstremalnych warunków.

Biolodzy określają taki proces mianem "ratunkiem ewolucyjnym". Oznacza on sytuację, w której populacja zagrożona wyginięciem odzyskuje zdolność przetrwania dzięki szybkim zmianom genetycznym. Zjawisko to obserwowano już wcześniej w laboratoriach, ale w naturze jest znacznie trudniejsze do udowodnienia.

"Aby to wykazać, trzeba spełnić trzy warunki" - mówi Anstett. "Trzeba pokazać, że populacja spada z powodu jakiegoś zagrożenia, że dochodzi do adaptacji genetycznej i że właśnie ta zmiana pozwala populacji się odbudować". Według badacza to pierwszy przypadek, gdy wszystkie trzy elementy udało się udokumentować w skali całego zasięgu gatunku.

Choć przykład kalifornijskiej rośliny jest spektakularny, sama idea nie jest nowa. W przeszłości ewolucja wielokrotnie pozwalała organizmom przetrwać zmiany klimatu. W ciągu ostatnich 500 milionów lat Ziemia przechodziła zarówno okresy znacznie cieplejsze niż dziś, jak i epoki lodowe.

W pewnym momencie w Arktyce żyły nawet krokodyle, co pokazuje, jak radykalnie zmieniały się warunki na planecie. Gatunki mogły jednak dostosowywać się do tych zmian lub przesuwać swoje zasięgi geograficzne.

Problem polega dziś przede wszystkim na tempie zmian. Dotąd najszybszym znanym epizodem globalnego ocieplenia był tzw. paleoceńsko-eoceński maksimum termiczne sprzed około 56 milionów lat. Wtedy temperatura wzrosła o 5 do 8 st. C, ale proces ten trwał około 20 tys. lat.

Tymczasem według prognoz do końca obecnego stulecia temperatura na Ziemi może wzrosnąć o ponad 4 st. C. Oznacza to tempo zmian wielokrotnie szybsze niż w przeszłości geologicznej.

Nie wszystkie gatunki mają takie same możliwości adaptacji. Największe szanse mają organizmy o krótkim cyklu życia, które rozmnażają się szybko i wytwarzają wiele pokoleń w krótkim czasie. W takich populacjach nowe mutacje mogą rozprzestrzeniać się bardzo szybko.

Dlatego zjawisko szybkiej ewolucji obserwowano wcześniej m.in. u bakterii, owadów czy niektórych roślin. Przykładem mogą być owady uodparniające się na pestycydy albo ryby z rodzaju killifish, które przystosowały się do życia w silnie zanieczyszczonych rzekach w Stanach Zjednoczonych.

Z kolei diabły tasmańskie zaczęły ewoluować w odpowiedzi na zaraźliwy nowotwór pyska, który dziesiątkuje ich populacje. Jak zauważa Andrew Storfer z Washington State University, w tym przypadku udało się udokumentować szybką ewolucję, ale nie ma jeszcze dowodów, że doprowadziła ona do odbudowy liczebności populacji.

Mimo optymistycznego przykładu z Kalifornii naukowcy podkreślają, że pojedyncza susza to jeszcze nie to samo co długotrwała zmiana klimatu. "Udowodnienie adaptacji do zmian klimatu zajmie sporo czasu" - mówi Storfer.

Anstett zwraca uwagę na jeszcze jeden problem. Gdy populacje gwałtownie spadają, tracą różnorodność genetyczną. A to właśnie ona jest paliwem dla ewolucji. Im mniejsza różnorodność, tym trudniej powstają nowe warianty genetyczne, które mogłyby pomóc w adaptacji.

Jeśli więc populacje będą wielokrotnie dotykane przez ekstremalne zjawiska pogodowe w krótkim czasie, ich zdolność do ewolucji może się stopniowo zmniejszać.

Szczególnie trudna sytuacja dotyczy gatunków o długim cyklu życia, takich jak duże ssaki czy drzewa. W ich przypadku kolejne pokolenia pojawiają się rzadko, więc tempo zmian genetycznych jest znacznie wolniejsze.

Mimo tych ograniczeń badacze podkreślają, że nowe wyniki dają powody do umiarkowanego optymizmu. Pokazują bowiem, że w prognozach dotyczących wymierania gatunków często pomija się możliwość szybkiej ewolucji.

"Wiele obecnych prognoz spadku liczebności gatunków nie uwzględnia ewolucji" - mówi Anstett. "To historia, która daje nadzieję".

Jednocześnie większość biologów podkreśla, że ewolucja nie powinna być traktowana jako prosty sposób na rozwiązanie problemu zmian klimatu. Adaptacja wymaga czasu, odpowiedniej różnorodności genetycznej i stosunkowo stabilnych warunków środowiskowych.

Jeśli tempo zmian będzie zbyt szybkie, nawet najbardziej elastyczne gatunki mogą nie nadążyć.

Badanie dotyczące szkarłatnego kwiatu małpiego zostało opublikowane w czasopiśmie "Science". Pokazuje ono, że natura potrafi reagować na kryzysy szybciej, niż sądzono. Jednocześnie przypomina, że zdolność do adaptacji ma swoje granice.