Ekolojik Soruları Cevaplamada Moleküler Teknikleri Kullanma

Bu makalede, moleküler ekolojide kullanılan araçlar ve bu araçların geleneksel ekolojik çalışmaları nasıl geliştirdiği incelenmektedir. Ayrıca moleküler ekolojinin araçlarını kullanan bir dizi çalışma ve moleküler ekolojinin sınırları da ele alınmaktadır.

Moleküler Ekolojinin Ortaya Çıkışı

1800’lerin sonlarında araştırmacılar bazı ekolojik soruların cevaplarını canlıların moleküler bileşimini inceleyerek bulabileceklerinin farkına vardılar. Bir ekolojik soruyu cevaplamada molekülleri kullanan ilk çalışma 1860’ların sonlarında Church tarafından yapıldı. Church kuşlar arasındaki ilişkileri incelerken turasin pigmentinin sadece Musophagidae ailesindeki kuşlarda bulunduğunu tespit etti (Görsel 1). Bu dala eğilen diğer araştırmacılarla birlikte çalışmalarına devam ettikçe, belirli moleküllerin türlerde ortak olup olmamasına göre evrimsel ilişkilerin anlaşılabileceğini belirlediler. İlk çalışmalar besin yoluyla alınan organik moleküllerle sınırlı olduğundan canlılar arasındaki ilişkilerin zaman zaman karıştırılmasına neden oluyordu. Ancak molekül çalışmalarının hayvanları, aralarındaki ilişkileri ve evrimlerini anlamada yararlı bir teknik olabileceği düşüncesi bilim dünyasında çoktan zihinlere işlemişti. İşte bu düşünceyle birlikte moleküler ekoloji disiplini ortaya çıktı.

2010 Nature Education

Moleküler ekoloji tam olarak nedir? Aşağıda göreceğimiz gibi, canlı biyolojisindeki en temel sorulardan bazılarına yönelik disiplinler arası bir yaklaşımdır. Bugün bazı bilim insanları moleküler ekolojiyi kendi başına bir disiplin veya bir bilim dalı olarak değil, belli durumlarda belli soruları cevaplamada kullanılan bir “yaklaşım” olarak görmektedir. Bununla birlikte çoğu bilim insanı moleküler ekolojinin canlı biyolojisindeki diğer çalışmalardan farklı olduğu görüşünü paylaşmaktadır. Moleküler ekoloji, “ekolojik soruları cevaplamada moleküler tekniklerin uygulanması” olarak tanımlanmaktadır (Beebee & Rowe 2004). Bu makalede moleküler ekolojide kullanılan araçlar ve bu araçların geleneksel ekolojik çalışmaları nasıl geliştirdiği incelenmektedir. Ayrıca moleküler ekolojinin araçlarını kullanan bir dizi çalışma ile moleküler ekolojinin sınırları da ele alınmaktadır.

Moleküler Ekolojinin Araçları

Moleküler ekolojinin bir çalışma alanı olarak gelişimi, bu alanın en önemli aracı olan moleküler belirteçlerdeki gelişmelere paralel olarak gerçekleşmiştir. Moleküler belirteçler canlı genomunun belli bölgeleridir. Bu DNA bölgeleri polimeraz zincir tepkimesi (PZT) olarak bilinen bir yöntemle kolayca elde edilebilir (Görsel 2). Moleküler ekolojide kullanılan farklı birçok DNA belirteci tipi vardır: mikrouydu (sık tekrarlayan DNA dizilimleridir, hemen mutasyona uğrayabilirler ve çoğunlukla bireyleri teşhis etmede kullanılırlar), miniuydu (mikrouydulara benzerler ancak bunlarda daha uzun dizilimlerin tekrarı söz konusudur), restriksiyon parça uzunluk polimorfizmi (enzimlerle kesilebilen belirli DNA bölgeleridir, bu kesilme sonucunda farklı türler, popülasyonlar ve nadiren bireylerde farklı boyutta DNA parçaları üretilir) ve DNA dizilim verisi (DNA bazları belirlenir ve türler, popülasyonlar ve bireylern teşhisinde benzerliklerle farklılıklar karşılaştırılır) (Görsel 3). Bu belirteçler geniş kapsamlı bir liste değildir, kullanılacak belirteç (veya belirteçler) çalışmada ele alınan sorunun türüne göre seçilir.

2010 Nature Education

Moleküler ekolojinin bir çalışma alanı olarak hızla gelişmesindeki nedenlerden biri PZT’deki ilerlemelerdir. Genomun belli bir DNA parçasının milyarlarca kopyasını çok az bir başlangıç örneği kullanarak PZT tekniğiyle çoğaltmak mümkündür. Diğer bir deyişle, küçük bir doku örneğinden çalışmaya yetecek kadar DNA elde edilebilir. Daha önceki teknikler için çok miktarda DNA veya protein gerekiyordu ki bu da çoğunlukla çalışılan canlının ölmesi anlamına geliyordu. Üzerinde çalışılan canlının ölmesi ise tabii ki çalışmanın amacına tam aksi yönde bir sonuç doğurabilir, özellikle de bu amaç nesli tehlike altında olan bir türü korumaya yönelikse. Günümüz moleküler ekoloji çalışmaları için çok az bir miktarda başlangıç örneğine ihtiyaç duyduğumuz gerçeği, vücuda herhangi bir müdahale olmadan (invaziv olmayan) örnekleme yöntemlerinin kapısını aralamıştır. DNA’nın saç, idrar, atık deri döküntüsü veya dışkıdan izole edilmesiyle nesli tükenmekte olan veya olmayan türlere zarar verilmesi önlenebilir. PZT tekniğiyle fosillerden alınan eski ve/veya bozulmuş DNA bile çoğaltılabilir (Görsel 2).

2010 Nature Education

Moleküler belirteçlerin gelişimiyle birlikte türler arasındaki ilişkiler, popülasyonların evrimsel geçmişi, bir tür içerisindeki genetik çeşitlilik miktarı, davranış biçimleri, yakın akraba popülasyonlardaki gen ifade biçimlerinin nasıl değiştiği ve canlıların diğer birçok çeşitlilik özellikleri gibi soruları cevaplamak için yapılan çalışmalarda bir artış olmuştur. Örneğin moleküler ekolojinin ilk çalışmalarından birinde O’Brien ve meslektaşları (1983) Güney Afrika’daki çitaların genetik çeşitliliğinin çok az olduğunu bulmuşlardır (Görsel 4). Nitekim O’Brien et al. (1985) farklı çitalar arasında deri yaması (graft) nakli yaptıklarında, çitalar genetik olarak birbirlerine çok benzediklerinden bağışıklık sistemlerinin bu doku yamasını reddetmediğini bulmuşlardır. İlk zamanlarda yapılan bu ve başka birçok çalışma, bir popülasyonun varlığını sürdürebilmesinde genetik çeşitliliğin önemi hakkında ve genetik çeşitliliğin de çevre değişikliklerine ne kadar bağlı olduğu konusunda tartışmaları tetiklemiştir, bu tartışmalar günümüzde de devam etmektedir. Eğer bir popülasyondaki her canlı aynı genetik yapıya sahip olsaydı, herhangi bir çevre değişikliğine muhtemelen hepsi aynı tepkiyi verirdi. Hele bu çevre değişikliği bir canlının hayatta kalma veya üreme yeteneğine engel teşkil edecek bir değişiklikse, muhtemelen popülasyon içerisindeki genetik olarak birbirine benzer bireylerin hepsi aynı şekilde etkilenir, nesillerinin tükenme olasılığını artırırdı. Bununla birlikte genetik olarak benzer bazı popülasyonların gelişebildiği de gözlendiğinden bu durumun her zaman geçerli olmadığını söyleyebiliriz. Bu nedenle popülasyonun sağkalımı açısından genetik çeşitliliğin önemi, bir tartışma konusu olmaya devam etmektedir.

2010 Nature Education

Geleneksel Ekolojik Yaklaşımların Dışına Çıkmak

Moleküler tekniklerin kullanılması ekoloji alanı için yararlı, bazen de zorunludur. Geleneksel ekoloji yaklaşımlarının bazı kısıtlamaları moleküler tekniklerle aşılabilir. Bu kısıtlamalardan biri gözlem zamanının göreceli dar bir çerçeve içinde olmasıdır. Geleneksel ekolojik yaklaşımlarla yapılan çalışmada, belli bir canlıya dair veriler uzun yıllar boyunca toplanmazsa, sadece çalışmanın yapıldığı süre ile sınırlı kalacaktır. Elbette dışdeğer kestirimi (ekstrapolasyon) yapılabilir, ancak bu kestirimlerin dayanağı zayıf kalabilir. Halbuki geçmiş olayların bazıları, canlı moleküllerinde çok doğru bir şekilde yorumlanabilecek, belirgin izler bırakırlar.

Örneğin türlerin ıraksaması (birbirlerinden ayrılması) önemli bir tarihsel veya çevresel olayla ilişkilendirilebiliyorsa bu ıraksamanın ne kadar süre önce başladığı kolayca hesaplanabilir. Eğer iki tür arasındaki ıraksama, tarihi bilinen bir jeolojik olayla ilişkilendirilebiliyorsa buna göre bir moleküler saat kalibre edilebilir. Böylece belli bir moleküler belirteçte gözlenen genetik değişikliklerin miktarına göre diğer türlerin de birbirlerinden ıraksadığı zamanı belirlemede bir moleküler saat kullanılabilir. Beerli et al. (1996) Ege Denizi’ndeki adaların birbirinden yalıtılmış olduğu jeolojik tarihleri kullanarak, tuzlu su bariyerleriyle ayrılmış Rana esculenta kurbağa grubu popülasyonları için bir protein saati kalibre edebilmişlerdir. Kurbağalar tuzlu suda yaşayamadıkları için çok büyük olasılıkla bu bariyerler oluştuğunda birbirlerinden ayrılmışlardır. Sonuç olarak araştırmacılar bu adalardaki kurbağaların birbirlerinden ayrılma tarihini belirleyebilmişlerdir. Sonrasında bu gruplar arasındaki genetik farklılıkların sayısını ölçerek zaman içinde kaç genetik değişiklik geçirdiklerini tahmin edebilmişlerdir.

2010 Nature Education

Geleneksel ekolojik yaklaşımlarda yaşanan önemli kısıtlamalardan ikincisi, doğrudan gözlemlemeye bağlı olmaktır. Hayvanların yeni popülasyonlara katılmaları veya göçlerini takip etmede en çok kullanılan yöntemlerden biri telemetri, yani uzaklık ölçümüdür (Görsel 5). Ancak bir hayvanın bir yerden başka bir yere fiziksel olarak hareket etmesi genellikle o hayvanın davranışını veya çevresiyle ilişkisini tam yansıtmaz. Telemetrinin başlıca kısıtlarından biri yer değiştiren hayvanın yeni yerleşim yerinde veya yeni katıldığı popülasyonda başarılı olarak üreyip üreyemediğini göstermemesidir. Üreme başarısı, uyumun başarılı olup olmadığının, dolayısıyla ekoloji açısından temel bir kriter olan popülasyon içerisinde uzun vadeli sağkalımın bir göstergesidir. Fakat yer değiştiren hayvanın çiftleşme davranışı DNA bazlı bir yaklaşımla daha iyi anlaşılabilir. Araştırmacılar belli bir hayvan grubundaki moleküler belirteçleri inceleyerek o grubun üyeleri arasındaki ailevi ilişkileri anlayabilir, dolayısıyla kimin kiminle çiftleştiğine dair net bir resim oluşturabilirler. Popülasyona son göç edenlerin moleküler belirteçlerinde daha az farklılık olacağından onları bu yolla tanımlayabilirler. Eğer bu göçmenler yeni gruplarında başarıyla çiftleşebilirlerse moleküler belirteçlerindeki farklılıklar yavrularına geçer ve popülasyonda daha sık görülür. Aksi takdirde de bu farklılıklar kaybolur.

Son olarak, geleneksel ekolojik yaklaşımlar, canlıları doğrudan gözlemlemeye dayalı olduğu için, fiziksel görünüşlerini etkilemeyen çeşitlilikleri çoğunlukla ayırt edemezler. Halbuki canlılar, fiziksel olarak aynı görünseler de farklı türler arasında görülenler kadar çok genetik ıraksama sergileyebilirler (genetik farklılığa sahip olabilirler). Kriptik çeşitlilik bazen yalnızca DNA’nın karşılaştırılmasıyla tespit edilebilir.

Bu örnekler, geleneksel yöntemlerle edinilen bilgilerin moleküler tekniklerle nasıl artırılıp genişletilebileceğini göstermektedir. Moleküler ekolojinin yardımıyla cevaplanan temel sorulardan bazılarına göz atarak moleküler tekniklerin geleneksel ekolojiyi nasıl geliştirdiği hakkında daha iyi bir fikre sahip olabiliriz.

Moleküler Tekniklerin Ekolojik Sorulara Getirdiği Cevaplar

Moleküler ekoloji dalında yapılan ilk çalışmalardan bazıları kuşların çiftleşme sistemleriyle ilgiliydi. O zamanlar kuşların tek eşli olduğu düşünülüyordu ancak ebeveynlerle yavrularının DNA örnekleriyle yapılan kapsamlı çalışmalar sonunda bunun doğru olmadığı, sadece çok az sayıda kuş türünün katı bir tek eşli çiftleşme sistemine bağlı kaldığı anlaşıldı. Buradan hareketle deniz iğnesi, kurbağalar, kınkanatlılar, kaplumbağalar ve başka birçok canlının çiftleşme davranışı moleküler teknikler kullanılarak belirlenmiştir.

Canlıların yaşam alanlarını nasıl kullandığına dair anlayışımız da moleküler teknikler sayesinde değişmiştir. Hayvanları izleyip doğrudan gözlemleyerek yaşam alanlarını nasıl kullandıklarını belirlemek nispeten kolay olabilir. Peki ya bunları doğrudan gözlemleyemiyorsak? Belli bir arazide homojen olarak dağılmış görünen popülasyonların genetik yapılanması üzerine bir dizi çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar popülasyonların farklı genetik yapıda birçok alt popülasyon barındırdığını, dolayısıyla canlıların yerleşme ve çiftleşme alanı olarak bazı yerleri diğerlerine tercih ettiğini göstermiştir. Bu bulgular, arazi seviyesinde gözlemlenen dağılım modelleriyle çelişmiştir, çünkü gözlem yöntemleri çiftleşme modellerini takip etmekte yetersiz kalmıştır.

2010 Nature Education

Moleküler tekniklerle yapılan ilk çalışmalar bir tür içerisindeki fiziksel görünüşü aynı olan bireyler arasında da çok fazla çeşitlilik olduğuna dair kanıtlar bulmuştur. Nitekim Plethodon cinsi semenderlerle yapılan çalışmalar birbiriyle aynı gibi görünen hayvanlar arasında çok fazla genetik farklılık olduğunu göstermiştir. Bu ilk çalışmalar bireylerde farklı Plethodontid genomlarının karışım halinde olduğunu ortaya koyarak farklı türler arasında melezleşmenin kanıtlarını sunmuştur ki bu bilgi geleneksel ekoloji yöntemleriyle tespit edilememiştir. Kriptik türlerin belirlenmesi genetik kaynakların muhafazası alanında, özellikle nesli tükenmekte olan türlerin korunması açısından çok önem kazanmıştır. Örneğin ABD’nin kuzeybatı Pasifik kıyılarında yaşayan Rana pretiosa benekli kurbağası popülasyonları birbirinden neredeyse hiç fiziksel çeşitlilik göstermez (Görsel 6). Ancak genetik analizlerin sonucunda Oregon’daki popülasyonların genetik olarak kuzeybatı Pasifik’teki diğer popülasyonlardan ayrı türler denecek kadar farklı oldukları ortaya çıkmıştır. Tür içerisindeki genetik farklılığın keşfiyle her ikisi de farklı türler olarak sınıflandırılmış ve koruma altına alınmıştır. Diğer pek çok canlı gibi bunların da eş belirlerken kimyasal ve/veya ses gibi görsel olmayan işaretler kullandığı düşünüldüğünde kriptik türlerin varlığı hiç de şaşırtıcı değildir. Moleküler ekoloji, araştırmacıların morfolojik olarak aynı görünen türlerin genetik farklılıklar taşıma nedenlerini incelemesine olanak sağlamıştır. Moleküler ekoloji sadece genetik farklılıkların tespit edilmesine değil, doğal seçilim, eş seçimi ve farklı yaşam alanı kullanımları gibi belli olayların bıraktığı izleri takip ederek bu farklılıkların oluşma biçiminin anlaşılmasına da olanak sağlar.

Moleküler ekoloji nesli tükenmekte olan türlerin korunmasında kriptik çeşitlilikten başka konularda da önemli rol oynamıştır. Örneğin nesli tükenmekte olan popülasyonların izole olmasını önleyebilecek popülasyonlar arası göç koridorlarının belirlenmesinde moleküler çalışmalar kullanılmıştır. Moleküler yaklaşımlar ayrıca nesli tükenmekte veya azalmakta olan popülasyonlara transfer edilecek ideal popülasyonların, kafeste yetiştirilen hayvanların genetik çeşitliliklerini artırma yöntemlerinin ve kaçak ticareti yapılan hayvanların türlerinin belirlenmesinde kullanılmıştır. Tür belirleme işlemi özellikle nesli tükenmiş hayvanları avlayan kaçakçılar hakkında dava açmak için önemlidir, hele de hayvandan kalanlar sadece bir miktar et, kemik veya kürk parçasıysa. Hatta hayvan diğer malzemelerle karıştırılıp pişirilmiş olsa dahi bir miktar doku üzerinden moleküler tekniklerle DNA analizi yapılarak hayvanın türü belirlenebilmektedir.

Moleküler Ekolojinin Sınırları

Moleküler ekolojinin de göz önünde bulundurulması gereken sınırları vardır. İlk olarak, belirteçlerin görünür hale getirilmesi çok zaman alır ve masraflıdır. İkinci olarak, her ne kadar moleküler ekoloji davranışların doğrudan gözlenmesine bağlı değilse de bu avantaj bazen kısıtlamaya da dönüşebilir. Davranış doğrudan gözlenmediği için, bilim insanları belli bir moleküler modele yol açan davranışı tahmin etmek zorunda kalırlar, bazen aynı model için birden çok tahmin söz konusu olabilir. Üçüncü olarak, tüm canlıların bütün genomuna bakmak pratik değildir, yani küçük bir belirteç kümesine bakmak gerekir. Farklı belirteçler birbiriyle çelişkili modeller sunabilir veya genomun bütününü temsil etmeyebilir. Son olarak, moleküler ekolojinin cevap veremeyeceği ve mutlaka doğrudan gözlemle ele alınabilecek sorular da vardır. Örneğin yavru bakımı ve kur yapma davranışı gibi bir canlının doğal geçmişi açısından önemli olan bazı davranışlar sadece doğrudan gözlem yoluyla belgelenebilir.