Με την πρώτη ματιά, οι πληθυσμοί των αγκαθωτών αστεριών που κατοικούν στη Μεσόγειο και αυτοί που ζουν στα κρύα νερά των Βρετανικών Νήσων φαίνεται να ανήκουν στο ίδιο είδος χωρίς σημαντικές διαφορές. Ωστόσο, το γονιδίωμά τους λέει μια διαφορετική ιστορία: μια επιστημονική ομάδα ανακάλυψε ότι εμφανίζουν έναν ασυνήθιστα υψηλό αριθμό χρωμοσωμικών αναστροφών , μεγάλα θραύσματα χρωμοσωμάτων που εμφανίζονται «ανάποδα» σε ορισμένα άτομα.
Αυτές οι επενδύσεις επηρεάζουν το 18,6% του γονιδιώματος του αγκαθωτού αστερία (Marthasterias glacialis) και φαίνεται να σχετίζονται με διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες . Το εύρημα υποδηλώνει ότι η οργάνωση του γονιδιώματος μπορεί να παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στην ικανότητα ενός θαλάσσιου είδους να προσαρμόζεται σε ποικίλα περιβάλλοντα.
Χρωμοσωμικές αναστροφές που σχετίζονται με το περιβάλλον
Η έρευνα, με επικεφαλής τον Βιολογικό Σταθμό Doñana (EBD-CSIC) και το Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης, ανέλυσε σχεδόν 300 δείγματα από διάφορες περιοχές του Βορειοανατολικού Ατλαντικού και της Δυτικής Μεσογείου. «Το πιο ενδιαφέρον εύρημα είναι ότι οι παραλλαγές αυτών των αναστροφών δεν κατανέμονται τυχαία μεταξύ των μελετηθέντων πληθυσμών, αλλά μάλλον φαίνεται να σχετίζονται με διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές», εξηγεί ο Carlos Leiva, ερευνητής στον Βιολογικό Σταθμό Doñana. «Πολλές από αυτές είναι πιο συχνές σε θερμές, αλατούχες περιοχές όπως η Μεσόγειος, ενώ άλλες φαίνεται να σχετίζονται με ψυχρότερες περιοχές, όπως τα Βρετανικά Νησιά». Μέσα σε αυτές τις ανεστραμμένες περιοχές, έχουν βρεθεί γονίδια που σχετίζονται με την απόκριση στο θερμικό στρες, την ωσμορύθμιση, την ανοσολογική απόκριση και την περιβαλλοντική αντίληψη. Ωστόσο, οι ερευνητές προειδοποιούν ότι αυτή η σχέση θα πρέπει να επικυρωθεί μέσω πειραματικών μελετών. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν, σε κάθε περίπτωση, ότι ο τρόπος με τον οποίο είναι οργανωμένο το γονιδίωμα μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντικός για την κατανόηση του πώς ένα είδος προσαρμόζεται σε διαφορετικά περιβάλλοντα, εκτός από τις σημειακές μεταλλάξεις στο DNA. Αυτός ο μηχανισμός θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα σημαντικός στον αγκαθωτό αστερία, ένα είδος του οποίου οι πληθυσμοί διατηρούν υψηλό επίπεδο σύνδεσης μεταξύ τους, παρά το γεγονός ότι ζουν σε περιβάλλοντα με πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά.
Ένας μηχανισμός για τη διατήρηση των τοπικών προσαρμογών
Το εύρημα είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακό λόγω ενός φαινομένου κοινού σε πολλούς θαλάσσιους οργανισμούς: της κινητικότητας των προνυμφών τους σε μεγάλες αποστάσεις . Αν και οι ενήλικοι αστερίες έχουν πιο περιορισμένη κινητικότητα, οι προνύμφες τους μπορούν να ταξιδέψουν εκατοντάδες χιλιόμετρα προωθούμενες από τα ωκεάνια ρεύματα. Αυτή η κίνηση διευκολύνει τη γενετική ανταλλαγή και αναμειγνύει συνεχώς πληθυσμούς. Θεωρητικά, αυτός ο υψηλός βαθμός διασύνδεσης θα πρέπει να εμποδίζει την εμφάνιση σημαντικών προσαρμοστικών διαφορών μεταξύ περιοχών. Ωστόσο, η μελέτη καταδεικνύει ότι υπάρχουν περιοχές του γονιδιώματος ικανές να ξεφύγουν από αυτή τη γενετική ανάμειξη. Ορισμένες περιοχές ανασυνδυάζονται ή «αναμιγνύονται» πολύ λιγότερο από το υπόλοιπο γονιδίωμα, επιτρέποντάς τους να παραμένουν διακριτές μεταξύ των πληθυσμών. «Αυτές οι περιοχές λειτουργούν ως δομικά στοιχεία που κληρονομούνται μαζί, διατηρώντας έτσι συνδυασμούς γονιδίων ευεργετικών για τη διαβίωση σε συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες, με διαφορές στη θερμοκρασία ή την αλατότητα», εξηγεί η Marta Martín Huete, προδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης. Με αυτόν τον τρόπο, οι χρωμοσωμικές αναστροφές θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως ένα είδος μηχανισμού που επιτρέπει σε ορισμένους γενετικούς συνδυασμούς που είναι ευνοϊκοί για ένα συγκεκριμένο περιβάλλον να διατηρούνται μαζί, ακόμη και όταν υπάρχει σημαντική γενετική ανταλλαγή μεταξύ των πληθυσμών.
Σχεδόν 300 αστερίες μελετήθηκαν στον Ατλαντικό και τη Μεσόγειο
Για να προσδιορίσει εάν υπήρχαν κρυφές διαφορές στο γονιδίωμα του είδους, η επιστημονική ομάδα ανέλυσε δείγματα από σχεδόν 300 δείγματα Marthasterias glacialis από 19 τοποθεσίες σε όλο τον βορειοανατολικό Ατλαντικό και τη δυτική Μεσόγειο. Τα δείγματα προήλθαν από περιοχές όπως οι Βρετανικές Νήσοι, οι Αζόρες, η ευρωπαϊκή ακτή του Ατλαντικού και η Μεσόγειος, επιτρέποντας συγκρίσεις πληθυσμών που υποβλήθηκαν σε πολύ διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Η ομάδα ανέλυσε χιλιάδες δείκτες κατανεμημένους σε όλο το γονιδίωμα και τους συνέκρινε με ένα γονιδίωμα αναφοράς για το είδος. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να εντοπίσουν περιοχές που συνάδουν με χρωμοσωμικές αναστροφές και να μελετήσουν πώς αυτές οι αναστροφές κατανεμήθηκαν μεταξύ των διαφορετικών πληθυσμών. Επιπλέον, τα γενετικά δεδομένα συνδυάστηκαν με περιβαλλοντικές πληροφορίες σχετικά με τη θερμοκρασία και την αλατότητα, επιτρέποντας στους ερευνητές να διερευνήσουν εάν οι χρωμοσωμικές αναστροφές μπορεί να σχετίζονται με τοπικές διαδικασίες προσαρμογής. Το αποτέλεσμα ήταν ιδιαίτερα εντυπωσιακό: το 18,6% του γονιδιώματος παρουσιάζει αυτό το είδος δομικής ποικιλομορφίας, ένα υψηλό ποσοστό που υποδεικνύει τη σημασία των χρωμοσωμικών αναστροφών στη διαφοροποίηση των πληθυσμών που αναλύθηκαν.
Επιπτώσεις για τη διατήρηση της θαλάσσιας βιοποικιλότητας
Η μελέτη αποκαλύπτει επίσης ότι ένα ευρέως κατανεμημένο είδος με συνδεδεμένους και φαινομενικά ομοιογενείς πληθυσμούς μπορεί να φιλοξενεί σημαντική προσαρμοστική ποικιλομορφία στο γονιδίωμά του . Αυτή η ανακάλυψη έχει επιπτώσεις στη διατήρηση της θαλάσσιας βιοποικιλότητας, καθώς διαφορετικοί πληθυσμοί του ίδιου είδους θα μπορούσαν να ανταποκριθούν διαφορετικά σε φαινόμενα όπως η θέρμανση των ωκεανών ή οι αλλαγές στην αλατότητα. Η κατανόηση αυτής της γενετικής ποικιλομορφίας είναι ιδιαίτερα σημαντική στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής, επειδή η ικανότητα των ειδών να ανταποκρίνονται στις αλλαγές της θερμοκρασίας και σε άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί να καθορίσει την επιβίωσή τους και τη μελλοντική τους κατανομή. Επιπλέον, τα αποτελέσματα παρέχουν μια νέα προοπτική στους μηχανισμούς που οδηγούν στην εξέλιξη της θαλάσσιας βιοποικιλότητας. Η μελέτη καταδεικνύει ότι οι αλλαγές στη δομή του γονιδιώματος μπορούν να είναι εξίσου σημαντικές με τις συγκεκριμένες διαφορές στο DNA στην προώθηση της προσαρμογής των ειδών.
Ο αγκαθωτός αστερίας ως μοντέλο ενόψει της κλιματικής αλλαγής
Το επόμενο βήμα θα είναι να επαληθευτεί εάν οι εντοπισμένες χρωμοσωμικές αναστροφές έχουν πράγματι συνέπειες για τα βιολογικά χαρακτηριστικά των ατόμων. «Αυτά τα αποτελέσματα ανοίγουν την πόρτα σε νέες μελέτες για να επαληθευτεί εάν αυτές οι χρωμοσωμικές αναστροφές μεταφράζονται πράγματι σε βιολογικές διαφορές μεταξύ των ατόμων, όπως μεγαλύτερη ανοχή στη θερμότητα, αντίσταση στις αλλαγές στην αλατότητα, διακυμάνσεις στην ανάπτυξη ή την αναπαραγωγή», εξηγεί ο Carlos Leiva. Εάν μελλοντική έρευνα επιβεβαιώσει ότι αυτές οι χρωμοσωμικές αναστροφές καθορίζουν, τουλάχιστον εν μέρει, την ικανότητα του αγκαθωτού αστερία να προσαρμόζεται στη θερμότητα ή την αλατότητα, ο Marthasterias glacialis θα μπορούσε να γίνει ένα μοντέλο για τη μελέτη του πώς τα θαλάσσια είδη μπορούν να ανταποκριθούν σε έναν ωκεανό που χαρακτηρίζεται από την κλιματική αλλαγή. Αυτό που ξεκίνησε ως μελέτη ενός αστερία αποκάλυψε έτσι έναν νέο τρόπο κατανόησης του πώς εξελίσσονται οι θαλάσσιοι οργανισμοί και πώς μπορούν να διατηρήσουν τις τοπικές προσαρμογές ακόμη και όταν οι πληθυσμοί τους συνδέονται με την κίνηση των προνυμφών τους.
Η ανακάλυψη από την ισπανογαλλική ομάδα, στην οποία συμμετείχαν επίσης το Πανεπιστήμιο του Γκουάμ, το Βοτανικό Ινστιτούτο της Βαρκελώνης και το Πανεπιστήμιο της Ρεν, υπογραμμίζει ότι η οργάνωση του γονιδιώματος είναι ένας βασικός παράγοντας στην εξέλιξη . Ο αγκαθωτός αστερίας, με τις αναστροφές του 18,6%, γίνεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του πώς η χρωμοσωμική δομή μπορεί να κρύψει μια εκπληκτική προσαρμοστική ποικιλομορφία, προσφέροντας πολύτιμες ενδείξεις για την πρόβλεψη του πώς τα θαλάσσια οικοσυστήματα θα ανταποκριθούν στις μελλοντικές προκλήσεις.