Gözümüzün Önünde Evrimleşen Fareler: Evrim, Zorlukların Üstesinden Nasıl Geliyor?

Yukarıdaki videoda, Dr. Michael Nachman'ın kaya cep farelerinin evrimi üzerine yaptığı araştırmanın sonuçlarını öğrenecek ve evrimi net bir şekilde, gerçek bir örnek üzerinden göreceğiz.

***

İnsanların olduğu her yerde fareler de vardır. Neredeyse hiçbir hayvan bizim tarafımızdan oluşturulan yaşam alanlarına bu kadar iyi uyum sağlamamıştır. Bu nedenle, Almanya’nın Plön şehrindeki Max-Planck Evrimsel Biyoloji Enstitüsü’nden Diethard Tautz için evrimin çalışma şekline model sistem olarak bu küçük kemirgeni kullanmak daha akla yakın geldi.

Max Planck Forschung

Plön’de bulunan Max-Planck Enstitüsü’ndeki fareler kendi evlerinde oturmakta ve buradaki 16 odada aile birliklerini ve alanlarını kendileri belirlemektedir. Tautz ve meslektaşlarının başka şeylerin yanı sıra küçük kemirgenler arasındaki iletişim, davranış biçimleri ve ortaklıkları incelediği deneyler bazen aylar sürmektedir. Bu zaman zarfında fareler çoğunlukla kendi kendilerine bırakılır; insanlar farelerin alanlarına sadece temizlik, yiyecek ve su gereksinimlerini karşılamak için girerler.

"Plön fare evi", sakinlerinin gereksinimlerine tamamen uygundur çünkü ev fareleri doğal yaşamda büyük aile gruplarında yaşar, yoğun bir vücut teması içinde birbirleriyle bol bol iletişim kurar. Farelerin ünlü ciyklemeleri ses repertuvarlarının sadece küçük bir parçasıdır. İletişimlerinin en büyük bölümü, insan kulağının algılayamadığı sesötesi bölgededir. Sesler farelerin kendileri için de sadece 30-50 cm uzaklıktan duyulabilir olmasına rağmen çok karmaşık mesajlar taşımaktadır.

Max Planck Forschung

Diethard Tautz ve meslektaşları, ev farelerinin sadece güvendikleri bir çevrede olduklarında ve türdeşleriyle iletişimde bulunabildiklerinde doğal davrandıklarını öğrendiler. Vahşi ortamda yaşayan hayvanlar yakalandıklarında güvendikleri çevreyi kaybederler; her şey farklı kokar ve farklı tada bürünür. Buna ek olarak özgürce hareket de edemezler ve en önemlisi, aşırı derecede sosyal olan bu hayvanların hayatlarında merkezi bir unsur olan aileleriyle iletişimleri kaybolur.

Evrim için model

Fare evindeki fareler ise doğal davranış repertuvarlarını bütünüyle gösterebilmektedir. Kemirgenlerin son evrimleri ancak bu şekilde araştırılabilmektedir çünkü geçtiğimiz yıllardaki araştırma sonuçları, davranışsal farklılıkların yeni türlerin oluşumu için anahtar bir faktör olabileceğini göstermiştir. Tautz’a göre ev faresi evrimsel süreçler için bir modeldir çünkü başka hiçbir hayvan türünde evrimin genetik mekanizmaları bu kadar iyi incelenememektedir.

"Dünya çapındaki yayılımının işaret ettiği üzere fareler sadece aşırı derecede adaptasyon yeteneğine sahip değil, bu hayvanların genomunu da başka hiçbir hayvanınkini bilmediğimiz kadar iyi biliyoruz.” diyor Tautz. Neticede bilim insanları yüz yıldan daha uzun bir süredir laboratuvarda fare yetiştirmekte, incelemekte, davranışlarını araştırmakta ve genomunu çözmektedir. Günümüzün laboratuvar fareleri köken olarak ev faresinden gelmektedir fakat vahşi akrabalarına göre çok daha az genetik çeşitliliğe sahiptir.

Max Planck Forschung

Ev faresinin ilk ataları, yaklaşık 500 bin yıl önce bugünkü İran civarında yaşamıştır ve orada alt türlere ayrılmıştır. Yaklaşık 14 bin yıl önce insanlar o coğrafyada yerleşik hayata geçip çiftçilikle uğraşmaya başlayınca fareler için de yeni bir çağ başlamıştır çünkü kemirgenler için bu ilk çiftçilerin mısır tarlaları ve ambarları karşı konulmaz birer besin kaynağıdır. Fareler açısından daha güvenilir ve rahat ulaşılabilir bir besin kaynağı hayal etmek zordur.

Bu andan itibaren ev faresi insanın peşinde tüm dünyayı fethetmiştir. Bu süreçte farklı yayılma rotaları izlemiştir. Doğu ev faresi (Mus musculus musculus) Kuzey Asya ve Doğu Avrupa’ya yerleşmiş ve kara iklimine adapte olmuştur. Batı ev faresi (Mus musculus domesticus) Fenikeli ticaret gemileriyle Akdeniz üzerinden Atlantik ikliminin hakim olduğu Batı Avrupa’ya ulaşmıştır. Avrupa’nın ilk denizcileriyle birlikte Amerika, Avustralya, Tayvan ve hatta Faroe Adaları gibi uzak takımadalara varmıştır.

Fare, Avrupalı balina avcılarıyla birlikte Antarktika’ya kadar ilerlemiş, ortalama sıcaklığın ancak 5 derece olduğu bölgelere çok kısa sürede uyum sağlamıştır. Bu çeşitliliği araştırabilmek için Plön’deki Max-Planck Enstitüsü’nde dünyanın dört bir tarafından getirilen fareler yaşamaktadır. Enstitüde Almanya ve Fransa’dan gelen ev farelerinin yanı sıra Faroe Adaları’ndan, İspanya’dan, Avusturya’dan, Kazakistan’dan, İran’dan ve hatta Tayvan’dan gelen fareler de bulunmaktadır. 

Vejetaryenlikten etoburluğa

Ev faresi gereken yerlerde başlangıçta vejetaryen olan beslenme biçimini bile değiştirmiştir. Öyle ki eski denizci farelerinin bugünkü torunlarının başlıca besinleri böcekler, solucanlar ve larvalar haline gelmiştir. Almanya’nın kuzeyindeki Helgoland adasındaki fareler, ölü su kuşlarını dahi tüketmeye alışmışlardır. Bu esnekliğin sınırları öyle noktalara varır ki eğer uygun yiyecekler bulursa farenin suya doğrudan erişimine gerek kalmamaktadır.

Diethard Tautz birkaç yıl önce ev faresinin evrimsel başarısını çözmek için anahtar rol oynayabilecek bir şey keşfetti. Fare genomunun parçaları kısa süre içinde yeni aktif genlere dönüşebiliyordu. Bu genom bölümleri daha önce bir merak konusuydu çünkü aktif proteinlere çevrilebilen bilgileri içermiyorlardı. Fare genomunun %90’a yakını bundan dolayı çöp DNA olarak sınıflandırılıyordu. Max-Planck çalışma grubu, başlangıçta işlevsiz olan bu tür DNA dizilerinden yeni genlerin oluşabildiğini keşfetti. Tautz, bunların önceden imkansız olduğu düşünülen biyolojik bir olaya dair yepyeni buluşlar olduğunu ifade ediyor.

Max Planck Forschung

Tautz ve arkadaşları, çeşitli fare türlerinin genetik analizleri sonucunda DNA’nın sadece küçük bir yüzdesinin proteine çevrildiğini buldular. Buna karşın neredeyse her DNA bölümü bir RNA molekülü olarak yazılabilmekte ve bu şekilde yeni bir gen adayı olabilmektedir. Okunan ama bir proteine çevrilmeyen DNA bölümleri bu nedenle öncül genler ya da protogenler olarak adlandırılmaktadır. Genlere dönüşüp dönüşmeyecekleri ise çevresel faktörlere bağlıdır. RNA molekülü önemli bir görev üstlenirse DNA’nın kodlayan bölümü aktif kalır ve korunur; RNA molekülü yararlı bir görev bulamazsa bu bölüm tekrar kodlamayan DNA’ya dönüşür.

DNA okuma çerçevesinin değişmesiyle, başlangıçta kodlamayan bir bölümden protein tanımlayan bir gen oluşması da yeni gen oluşturan ikinci bir mekanizmadır. Okuma çerçevesi genetik alfabenin birbirini takip eden üç harfinden oluşur. Bu üçlülerin her biri genetik kodun çevrildiği bir amino asidi ifade eder. Okuma çerçevesi kayarsa yeni üçlüler oluşur ve harf dizisi amino asitlere çevrilir. Tautz ve ekibi, okuma çerçevesinin bu şekilde değişimiyle yeniden yazılan çeşitli genler tespit etmiştir. Buna bir örnek, embriyo gelişimini yöneten Hoxa9 genidir. Bu gen kemirgenlerde ve primatlarda bu tip bir alternatif okuma çerçevesi sayesinde oluşmuştur.

Araştırmacılar sık sık yeni genlerin oluştuğunu tahmin etmektedirler. Araştırmalarının sonuçlarına göre fare genlerinin sadece %60 kadarı evrimin erken evrelerinden gelmektedir. Belli ki, zaman içinde genomun her parçası bir ara okunmakta ve bir gen olarak işe yarayıp yaramadığı test edilmektedir. “Kodlamayan genom kesitleri böylece yeni yaşam alanlarına hızlı adapte olmaya yardım eden yeni genler için bir rezervuar oluşturmuş oluyor. Bu mekanizmada evrim için daha önce hakkında hiçbir şey bilmediğimiz dev bir potansiyel saklı. ” diyor Tautz.

Max Planck Enstitüsü’ndeki araştırmacılar buna ek olarak belirli durumlarda yeni genlerin oluşumunun önemli düzeyde arttığını göstermiştir. Özellikle büyük ekolojik değişimlerden sonra normalden çok fazla yeni gen ortaya çıkmaktadır. Bu şekilde, örneğin dinozorların yok oluşundan sonra senozoik zamana geçişte ve fareye giden son soy hattında son derece fazla sayıda yeni gen oluşmuştur. Aynı zamanda, evrim sürecinde fare yeni bir yaşam alanıyla karşılaştığında da farklı ekolojik nişleri ele geçiren farklı özelliklere sahip yeni popülasyonlar oluşmaktadır; bu fenomen radyasyon olarak adlandırılır. “Bilim dünyasında uzunca bir zaman yeni yaşam koşullarına böylesi bir adaptasyonun çok yavaş bir süreç olduğu sanıldı fakat yeni araştırmalar gösterdi ki hayvanlar bazen birkaç düzine nesil sonrasında bu adaptasyonu gösterebiliyor; yani fareler birkaç yıl içinde bunu becerebiliyor.” diyor Tautz. 

Ada fareleri kendi yoluna gidiyor

Tautz ve meslektaşları, radyasyonun sonuçlarını ve hayvanların yeni koşullara hızlı adaptasyonunu Almanya’nın farklı noktalarında ve Helgoland adasında çalışabilmektedir. Kuzey Denizi’nde anakaradan 50 km açıkta bulunan bu adaya fareler birkaç yüzyıl önce gemilerle gelmiştir. “Evrim ölçeğinde bu süre göz açıp kapayıncaya kadar geçen süre gibi kısacıktır; buna rağmen adadaki fareler karadaki türdeşlerinden çoktan ciddi ölçüde farklılaşmıştır.” diyor Tautz.

(Evrim Ağacı notu: Daha fazla bilgi için genetik sürüklenme ile ilgili yazımızı okuyabilirsiniz.)

Evrimsel biyologlar bu durumu, diğer etkenlerin yanı sıra yiyeceğin farklılaşmasına bağlamaktadırlar. Anakaradaki fareler ağırlıklı olarak bitkisel diyetle beslenirken adadaki akrabaları zorunlu olarak ete alışmak zorunda kalmıştır çünkü adada tarım yapılmamaktadır. Bu nedenle alıştıkları besinler yerine ada fareleri muhtemelen ölmüş deniz kuşlarıyla beslenmektedir. Her hâlükârda çiğneme sistemleri daha etçil bir türün doğrultusunda gelişmiştir.

Anakaradan adaya sürekli yeni gelen farelerle Helgolandlı fareler artık hiç karışmamaktadır. Helgolandlı farelerin kendine has yeni bir tür oluşturması artık an meselesidir çünkü iki popülasyon arasındaki gen geçişliliği bittiğinde her iki popülasyonda da farklı mutasyonlar gerçekleşir. Bunun sonucu olarak da iki grup birbirinden ayrılarak gelişir. Böylesi bir coğrafi izolasyon, beraberindeki yeni adaptasyonlarla birlikte, yeni türleri ortaya çıkaran mekanizmalardan biri olarak kabul edilmektedir. Allopatrik (farklıyurtlu) türleşme olarak adlandırılan bu türleşme, doğu ve batı alt türleri olan M. m. musculus ve M. m. domesticus’ta daha da ileri bir seviyededir. İki grup da hâlâ aynı türe aittir fakat yine de hem genetik hem de fenotipik olarak kolayca ayrılabilmekte ve birbirleriyle de ancak kısıtlı olarak üreyebilmektedir. Bu, özellikle iki alt türün yayılma alanlarının sınırı olan Atlantik ve kara ikliminin ayrıştığı hat boyunca gözlemlenebilir. Bu sınır boyunca devam eden 40 kilometre genişliğindeki bir şeritte bu alt türlerin yayılma alanları “melezleşme alanı” diyebileceğimiz bir alanda kesişir. Burada hayvanlar karşılaşmakta ve düzenli olarak birbirleriyle üremektedir.

Buna uygun olarak melezlerin genomları batı ve doğu alt türlerinin genomlarından oluşmaktadır fakat iki alt türün genomlarının birbiriyle gitgide daha az uyumlu olduğu da açıktır çünkü melezler zayıf bir bağışıklık sisteminden muzdarip olmakta ve parazit kaynaklı hastalıklara gitgide daha fazla yakalanmaktadır. Bu durum kemirgenlerin bağırsak floralarına da etki eder. Plön’deki Max-Planck Enstitüsü’nde misafir profesör olarak çalışan John Baines bu hayvanların bağırsak bakterilerinin biyoçeşitliliğini genetik olarak inceledi. Bu çalışmada, melezlerdeki bağırsak bakterisi tür sayısının daha az olduğu, bunların da farklı miktarlarda bulunduğu tespit edildi. Örnek olarak, melez bir farenin safkan ebeveynlerine göre önemli ölçüde daha fazla helikobakter bakterisine sahip olduğu görüldü. Bu mikroplar insanda bağırsak ülserine neden olabilmektedir. 

Bağışıklık sistemi bağırsak florasını değiştirir

Bilim insanları bunu şöyle açıklamaktadırlar: Bağışıklık sistemiyle ilgili genlerin farklı varyantları sonucunda farklı bağışıklık hücreleri oluşur, dolayısıyla melez farelerde farklı T hücreleri vardır. Bu bağışıklık hücreleri bağırsak dokusunda da bulunur ve oradaki bakterilere net biçimde zarar verir. Görünüşe göre bu, farenin lehine olmamaktadır çünkü melezlerin bağırsak dokuları ebeveynlerininkine göre daha sık iltihaplanmaktadır.

Ayrıca melezlerde spermlerin olgunlaşma süreci de ciddi oranda zarar görmektedir ve bunun sonucunda daha az yavru üretilebilmektedir. Tautz’un eski çalışma arkadaşları Leslie Turner ve Bettina Harr, evrim sürecinde farklı gen bölgelerinin etkileşimiyle oluşan ve melezler arasındaki üremeyi engelleyebilecek karmaşık bir ağı ortaya çıkarmışlardır. Böylece, fare formları arasındaki farklar gitgide daha fazla büyümektedir, ta ki iki alt türden tamamen iki ayrı tür oluşana kadar. Bu iki alt türün melezleri de bu yüzden doğada kalıcı olamamaktadır. “Bir melezlemenin verdiği yavru, ebeveyninden daha az uyum başarısına sahipse popülasyonlar kaçınılmaz olarak birbirlerinden uzağa sürüklenir.” diyor Tautz.

Bir türün ayrışmasına sadece fiziksel farklılıklar yol açmaz; ayrışmanın başlangıç noktasını çoğunlukla davranışlardaki farklılıklar oluşturmaktadır. Bu şekilde, teoride tüm erkek ve dişilerin birlikte yavru üretebildiği, çeşitliliği yüksek bir gruptan, birbirleriyle uyumu artık pek iyi olmayan popülasyonlar oluşmaktadır. Bunun nedenleri arasında hayvanların birbirlerini karşılıklı olarak artık çekici bulmamaları, bir grubun farklı yuvalar yapması ya da dişilerin üreme zamanlarının farklılaşması sayılabilir. Bu tip davranış değişiklikleri popülasyon içindeki bir ya da daha fazla grubun izolasyonunun başlamasındaki temel nedendir. Araştırmacılar tarafından bu durum simpatrik (aynıyurtlu) türleşme olarak adlandırılır. 

Eş seçimi genleri

Tautz ve meslektaşları kısa süre önce fare genomunda hayvanların eş seçimini ciddi ölçüde etkilediği açık olan ve birkaç genden oluşan bir kompleksle karşılaştı. PWS bölgesi denen bu bölge aynı anda birkaç davranış biçimini kontrol etmekte ve farklı popülasyonlar arasında farklı “kişiliklerin” oluşmasına yol açmaktadır. Bununla ilişkili olarak araştırmacılar, Batı Almanya ve Güney Fransa’daki doğal ortamlarından getirilen batı ev farelerinin çiftleşme davranışlarında farklılıklar olduğunu bulmuşlardır. Tautz şunları söylüyor:

Köln çevresindeki yani melezleşme alanının batısındaki farelerle Fransa’nın Merkez Masif bölgesindeki (Güney Fransa’nın ortasındaki dağlık bölge) türdeşlerini laboratuvarımızdaki fare evinde bir araya getirdiğimizde önce herkes herkesle çiftleşiyordu fakat yavrularda şaşırtıcı bir durum ortaya çıktı: Ebeveynlerinin biri Almanya’dan diğeri Fransa’dan olan fareler daha sonra kendi eşlerini babalarının kökeninden tercih etti.

Bu tarz tercihlerin sebepleri henüz tam olarak bilinmemektedir. Net olan tek şey, farelerde karşı tarafın çekiciliğinin kokularla ve sesötesi alanda, 50-70 kHz arasındaki seslerle iletildiğidir. Tautz’un sözleri şöyle:

Başta öncelikle erkeklerin ses yoluyla çiftleşme sinyalleri yaydığını tahmin ediyorduk, ötücü kuşların cıvıldamaları gibi; fakat sonra dişilerin birbirleriyle çok daha fazla iletişim kurduklarını gözlemledik; özellikle de kendi aralarında olduklarında.

Max Planck Forschung

Fransız ve Alman fareler çıkardıkları seslerde farklılaşmaktadır; yani bir nevi farklı diller konuşmaktadır ve bunu aynı alt türe ait olmalarına rağmen yapmaktadır. Bu, popülasyonların ayrışmasına katkı sağlamıştır fakat eş seçiminde baba tarafının tercih edilmesinin nedenine dair araştırma henüz devam etmektedir. Alman ve Fransız fare popülasyonları, gayet net ki, yeterli süre boyunca coğrafi olarak ayrı kalmıştır, öyle ki bu alt türlerde ıraksak gelişimin ilk işaretleri daha şimdiden ortaya çıkmaktadır. Buna ek olarak cinsel davranışın başka bir yönü de türleşmeyi hızlandırmaktadır: Farelerin her ne kadar birçok cinsel partneri olsa da araştırmacılar düzenli olarak eş sadakati ve soy içi üreme (akraba evliliği) durumları da gözlemlemişlerdir. Davranış repertuvarları içinde babaların kızlarıyla, annelerin oğullarıyla yavru ürettiği geniş aileler sık sık ortaya çıkmaktadır. Bu durum, genetik olarak birörnek grupların oluşumunu desteklemekte ve bu şekilde türleşme sürecini güçlendirmektedir. Doğal olarak gerçekleşen bu soy içi üreme, aynı zamanda farelerin neden genetik ve biyomedikal model sistemi olmaya bu kadar uygun olduğunu da açıklar. Bu amaç için gereken, genetik olarak birörnek, soy içi döllenmiş suşlar, özellikle farelerde kolaylıkla üretilebilir.

Diethard Tautz ve arkadaşlarının çalışmaları farelerin sadece zararlı ya da hastalık taşıyıcı hayvanlar olarak görülmesinin doğru olmadığını göstermektedir. Aksine bu hayvanların dünya üzerindeki yayılımları, organizmaların yeni yaşam alanlarına nasıl adapte olabildiklerine dair daha çok bir ders niteliğindedir. Bu nedenle dünyadaki farklı ev faresi popülasyonları, günün birinde içlerinden yeni türlerin çıkabileceği evrimsel deneyler olarak görülmektedir. 

Özet olarak:

• Evrimde yeni özellikler sadece mevcut genlerin değişimiyle oluşmaz. Önceden kodlamayan DNA bölümlerinden de tamamen yeni genler üretilebilmektedir. Bu, öncelikle büyük ekolojik değişiklikler olursa ya da türler yeni yaşam alanlarına yerleşirse gerçekleşmektedir.
• Ev faresinin popülasyonları ve alt türleri, insan kültürünün takipçisi olarak tüm dünyaya yayılmıştır ve her seferinde çevreye yeniden adapte olmuştur. Bu sayede yeni türlerin oluşumunun incelenebildiği adeta doğal bir evrimsel deney oluşturmaktadırlar.
• Eş seçimi ya da sosyal sistemlerin oluşumu gibi davranışlarda gözlemlenen farklılıklar iki türün ayrışmasındaki ilk adımlardır.

Terimler

Allopatrik (Farklıyurtlu) Türleşme: Burada bir türün bireyleri birbirinden dağ ya da körfezcikler gibi dış etkilerle ayrılmaktadır. Zaman boyunca devam eden bu mekansal yalıtım, her bir popülasyonda farklı mutasyonların birikmesine ve böylece genetik farklılıklar oluşmasına yol açar. Hayvanlar birbirleriyle artık başarılı bir şekilde üreyemez ve iki yeni tür oluşur. Türler birbirinden mekansal yalıtım olmaksızın ayrılırsa buna simpatrik (aynıyurtlu) türleşme denir.

Radyasyon: Bir organizma grubunun ya da türün daha fazla sayıda yeni türe çeşitlenmesidir. Burada yeni ekolojik nişlere uyum ve buna bağlı olarak yeni özelliklerin oluşması söz konusudur. Yeni türlerin sayısı burada çok hızlı bir şekilde artabilmektedir; mesela yeni bir yaşam alanının kolonize edildiği bir durum buna örnek olabilir. Buna karşılık, bağlı olunan bir yaşam alanının çöküşü de aynı şekilde yeni türlerin oluşumunu tetikleyebilir fakat burada uzun bir zaman dilimine yayılan daha durağan bir süreç söz konusudur. Dinozorların yok oluşundan sonra memelilerin yaptığı gibi, rakipler yok olduğunda da boşalan ekolojik nişlere yeni türler gelebilmektedir. Başarılı bir evrimsel yenilik de aynı şekilde birçok yeni türün oluşumuna yol açabilir.