Kombinasyonel Türleşme: Eski Genlerin Yeni Kombinasyonları, Yeni Türlerin Evrimini Sağlıyor!

Bir türün ikiye nasıl ayrıldığını açıklamak isteyen biyologlar için elma kurtçuğu sineği, genetik sırları açıklamaya hazır gibi görünmekteydi.

Geride bıraktığımız 170 yılda Rhagoletis pomonella, Kuzey Amerika'daki yerli alıç ağaçlarının meyvelerine hastalık bulaştırmaktan, Avrupalı kolonicilerin getirdiği elma ağaçlarına hastalık bulaştırmaya yöneldi ve bu değişim, yeni türlerin oluşmasına neden oldu. Bu yeni elmalar üzerinde özelleşen böcekler, gelişme süreçlerini daha erken, yani elma ağaçları meyve verirken olgunlaşmak üzere bile değiştirdiler. Bu iki sineği seçkin ve münferit yapan yeni genetik farklılıkları bulmak kolay olmalıydı.

Araştırmacılar bir tane buldu; ama zamanlama tamamen yanlış gibi görünüyordu.^[1] Bu yeni bir mutasyon değildi. Bu genetik varyant, bir milyon yıl önce Meksika'daki izole bir popülasyondan kökenleniyordu ve çok eski bir melezlenme olayı sonrası kuzeye yayılmıştı. Bir türleşme geni, türleşmenin kendisinden çok daha eski olabilir miydi?

Geçmişte bu, biyolojik bir tesadüf olarak yorumlanabilirdi. Fakat araştırmacılar; farklı soylara, özellikle hızla yeni tür oluşturanlara ait daha fazla genomu araştırdıkça bu modelle karşılaşmaya devam etmekte.

Türlerin üreme izolasyonlarıyla bağlantılı birçok genetik varyant, türün kendisinden daha eskidir. Bu eski varyantlar nesillere genellikle uzak akrabaların melezleşmesiyle girer. Trends in Ecology & Evolution’da yayınlanan yeni bir inceleme makalesi, bu olayın yeni türlerin nasıl oluştuğuna dair çok temel bir şeyi ortaya koyduğunu savunuyor:^[2] Türlerin oluşumunda, eski varyantların yeni rollerle yeniden kullanılması bazen yeni mutasyonlardan daha önemli rol oynar. Uzun zamandır evrimsel bir çıkmaz olduğu düşünülen melezleşme, aslında eski gen varyantlarını yeni yollarla birleştirmek için bir katalizör görevi görür ve hızla çeşitlenmeyi körükler.

Evrimsel biyologlar olan Bern Üniversitesinden David Marques ve Ole Seehausen; Cambridge Üniversitesinden Joana Meier, türlerin oluşumuna dair bu yeni görüşe "Kombinasyonel Türleşme" adını verdi. Seehausen şöyle diyor:

Bütün bu yeni genomik veriler açıkça hayvanlar ve bitkilerdeki türleşmenin genellikle, eski genetik varyantlar da dahil olmak üzere, aralarında bağlar kurarak çalıştığını gösterir. Öyleyse kendimize sormalıyız: Bu, klasik görüşe göre yaygın bir mekanizma mı?

Quanta Magazine

Klasik olarak yeni türlerin oluşması, daha büyük gagayı veya daha cazibeli ötmeyi sağlayan genlerdeki rastgele mutasyonlara bağlı olarak yavaş ve kademeli olarak gerçekleşir. Eğer bu yeni özellik bir alt popülasyonun yeni bir ekolojik nişten faydalanmasını sağlayacaksa veya üyelerinin dışarıdan bir canlıyla çiftleşme ihtimalini azaltacaksa, yeni türler doğabilir. Soylar birbirinden izole olarak var olduğu sürece farklılaşan genomları, giderek uyumsuz hale gelen farklılıklar biriktirir. Türleşme tamamlandığında genomlar o kadar farklı olur ki eğer bir melezleşmede bir araya gelirlerse kısır veya elverişsiz "çıkmaz sokaklar" üretirler.

Ancak bu, Seehausen ve meslektaşlarının hızla farklılaşan türler hakkında söylediklerinin tam tersidir. Onlara göre Kombinasyonel Türleşme, türleşme için genetik yeniliğin nasıl bu kadar hızlı ortaya çıkabileceğini ve melezleşmenin önceden düşünülenden daha yaygın olduğu keşifleriyle tutarlıdır.^{[3], [4]} Diğer biyologlarsa, yaşam ağacındaki melezlenmenin evrimsel sonuçları hakkında yeterli bilgiye sahip olunmadığı için dikkatli olunması konusunda ısrar ediyorlar ve türleşmenin kombinasyonel modlarının önemi hakkında cesurca spekülasyonlar yapanlara, kapsamlı melezlenmenin yeni türler yaratamadığını gösteren birçok örnek olduğunu hatırlatıyorlar.

QuantaMagazine

Dünyanın En Hızlı Türleşen Canlıları

Üç yazarın da fikirleri, sadece 150.000 yılda 700’den fazla şekil, boyut ve ekolojiye yayılarak doğada en hızlı yayılan tür sıfatına sahip olan Afrikalı çiklet balıkları üzerine yaptıkları çalışmanın etkisiyle şekillendi. 15.000 yıl önce oluşmuş olan Victoria Gölü’nün oluşumundan beri kıyılarında 500 civarı yeni tür oluştu. Bu da orayı, biyologların türleşmenin erken safhalarını anlamaları için ideal bir sistem haline gelmesini sağladı.

Seehausen, gen akışının göllerdeki çiklit türleri arasındaki farklılıkları nasıl azalttığını incelereyerek başladı. Türler; belli derinlik, farklı ışık miktarı ve yarık gölün yamaçlarındaki ekolojik nişlere gelişmek üzere özelleşebilmekteydi; fakat insan aktivitesi ve ötrofikasyon gibi rahatsız edici durumlar, terimin tam anlamıyla "suları bulandırabiliyordu". Böyle durumlar, çiftleşmenin önündeki normal engelleri gizliyor ve farklı türlerin (ki bunu açıkça görebilseler kolay kolay çiftleşmezlerdi) gen alışverişinde bulunmalarına ve bir melez sürü oluşturmalarına neden oluyordu.

QuantMagazine

Seehausen, bu tarz periyodik karışımların bu soyun tarihinde sıklıkla gerçekleştiğine inanıyor.

Bunun soylara ne yaptığını ve yeniden karıştırmanın ve yeniden türleşmenin dinamiklere ne yapabileceğini düşünmeye başladım.

2004’te akrabalık olarak uzak fakat hala uyumlu soyların melezleşmesinin gen havuzunda büyük miktarlarda genetik çeşitlilik yaratacağını savundu.^[5] Rekombinasyonla bu atalara bağlı çeşitlilik dilimlenir ve yeni konfigürasyonlara bölünür.

Genetik olasılıklardaki bu ani artma, soyları yeni ekolojik nişleri doldurmaya yöneltir. Yeni oluşmuş bir göl gibi bir fırsat verildiğinde, eski alellerin başarılı yeni kombinasyonları sürüden fırlar. Bütün kombinasyonlar elbette başarılı olmaz; fakat seçilim, yeni oluşmuş ortamlarda daha zayıf olabilir. Bu gevşek seçilim, kayalardan yosun sıyırmanın yeni yöntemine alışmış melez çiklit balığına ebeveynlerinin genomları arasındaki uyumsuzları çözmek için ekstra zaman verir aksi halde handikap olabilir. Aynı zamanda, genomun başka yerlerindeki eski alellerin diğer benzersiz kombinasyonları, melez sürünün diğer dallarındakilerle uyumsuz olabilir ve tomurcuklanan soyları gen akışından koruyabilir.

Genomik dizilemenin ataların daha çok türleşme olayına dahil olduğunu ortaya çıkarmasıyla, türleşmenin bu görüşü belirgin bir ağırlık kazandı. Örneğin, Meier ve meslektaşlarının 2017 yılında Nature Communications’da yayınladıkları çalışma, Victoria gölündeki 500 tür çiklit balığının ani yayılmasının, muhtemelen gölden daha eski olan bir melez sürüsünden kaynaklandığını doğruladı.^[6]

Gölün içindeki tüm türler, muhtemelen son 15.000 yıl içinde ortak bir atadan türemişti. Fakat araştırmacılar Victoria gölündeki türleri daha geniş bir çiklit balığı soy ağacına yerleştirmeye çalıştığında iki çok eski nehir türünün arasında kaldılar: biri Nil’in üst kısmından, diğeri Kongo nehrinden. Meire'ye göre Victoria gölündeki çiklitlerin bazılarının genomları daha çok Nil türlerini andırırken diğerleri Kongodakilere daha yakındı:

Victoria gölü çiklitlerinin kökeninde bu iki türün melezleşmesiyle oluşan genetik bir mozaik var.

Bu mozaik genomlar, atalarının melez sürüsünü, balıkların hızlı yayılmasını ve türleşmesini hızlandırmak için ebeveyn soylarından yeterli genetik varyasyonla tohumladı.

QuantaMagazine

Aynı Gen, Farklı Kombinasyon

Bu mozaik modeli, çiklit balıklarında hakkında en iyi çalışılma yapılmış genlerden birinde de, görmelerine yardımcı olan gende, belli olur. Uzun dalgaya duyarlı (UDD) opsin geni gözün farklı seviyelerdeki ortam ışığına uyum sağlamasını sağlar ve Victoria gölü çiklitlerinde son derece çeşitlidir. Bu çeşitlilik iki geniş kategoriye ayrılır: biri sığ, berrak su, diğeriyse kırmızı ışığın hakim olduğu daha derin su. Seehausen, bu gendeki çeşitliliğin Afrikan çiklitlerini yeni oluşan göllerdeki uygun olan nişler spektrumunu doldurmasını sağladığını söylüyor. Aynı zamanda, farklı genotipler, erkeklerde farklı renklenme desenleri ile ilişkili olduğundan, dişiler için önemli bir cinsel sinyal olduğu için, üreme yoluyla izole edilen türlerin ortaya çıkmasına da yardımcı oldu.

QuantaMagazine

UDD opsinindeki bu istisnai durum, Kongo soyunun sığ su versiyonu ve Nil soyundaki derin su versiyonunun melezleşmesine kadar hiçbir gen havuzunda bulunmuyordu. Yazarlar, bu iki gen versiyonunun kendi içlerinde yeniden düzenlemeler yapılarak bir araya gelmesinin melez popülasyonunda yeni bir "çok çeşitli ışık koşullarına ve görsel ekolojilere adaptasyonu kolaylaştırmış gibi görünen" fiziksel çeşitlilik patlamasına yol açtığını yazdı.

Bunun gibi modeller, genomun başka yerlerinde de karşımıza çıkıyor. Araştırmacılar, Victoria gölündeki çiklitler arasındaki farklılaşmaya öncülük etmiş genom bölümlerini incelerken her bir ebeveynin soyundan gelen varyantların kombinasyonlarının yeni ortaya çıkan türlerin genomlarında sıralanadığını keşfettiler.

QuantaMagazine

Diğer Kombinasyon Çeşitleri

Afrikalı çiklitlerin çeşitlenmesine neden olan ve çok eskiden gerçekleşmiş olan ilave olayı, eski alellerin yeni türler oluşturmak için yeniden şekillenme yollarından yalnızca biri. Kombinasyonel Türleşme, çiftçi ve bahçıvanların çok iyi bildiği melez türleşmenin klasik mekanizmasını kapsar: Bitkilerde melezleşmenin hemen üreme açısından ebeveynlerinden ayrı yeni türler oluşturması yaygındır.

Kombinasyonel Türleşme, aynı zamanda büyük, genetik olarak çeşitliliğe sahip bir popülasyonun, daha eski ve nadir alelerin yeni kombinasyonlarından meydana gelmiş, bin yıl boyunca sayısız sürgün verebildiği durumları da tanımlar. Bu, Marques ve diğer araştırmacıların söylediğine göre tuzlu ve tatlı su habitatlarında yaşayan, küçük bir zırhlı balık olan üç dikenli dikenbalığında da böyle oldu.^[7]Bu dikenbalığı türü, buz devrinden beri defalarca gölleri ve kuzey yarımküredeki akarsuları kolonileştirmiştir. Araştırmalar, balıkların zırhlı kaplamasındaki azalmayı kontrol eden genler gibi tatlı su kolonizasyonu ile ilişkili -anahtar genlerin çoğunlukla eski deniz varyantları olduğunu gösteriyor. Bu alellerden bazıları, bu üç dikenli dikenbalığının varlığından bile önceye dayanıyor olabilir.^[7]

Benzer modellere sahip türlerin listesi uzayıp gidiyor: Darwin'in ispinozları, elma kurdu sineği, kapuçino tohum yiyiciler, Hawaii gümüş kılıçları... Bu sistemler üzerine çalışan bilim insanları, hibritleşmenin yayılımları üzerindeki potansiyel önemini fark ettiler.

Fakat Marques ve meslektaşları, biriken genomik kanıtların gelecekteki araştırmaları çerçeveleyen yeni bir terim olarak "kombinasyonel türleşmenin" tanıtılmasını garanti ettiğini öne sürüyor. Marques’in dediğine göre "kombinasyonel" kelimesi çok önemli olan "mevcut varyasyondan yeni kombinasyonların oluşturulmasını" en iyi şekilde tanımlar. Türleşmenin nasıl gerçekleştiğinin özünü daha iyi özetleyen bir dille, araştırmacıların yaşam ağacı boyunca gerçekleşen mutasyonlar da dahil olmak üzere çeşitli mekanizmaların katkılarının önemini değerlendirmek için daha donanımlı olacağını düşünüyor. Wisconsin Üniversitesinde melezleşme üzerine çalışan bitki biyoloğu Nora Mitchell, şöyle diyor:

Bence bu, çok çeşitli ama birbiriyle ilişkili mekanizmaları kapsamlı bir terim altında yeniden birleştirmek için yararlı bir yöntem.

Giriş düzeydeki biyolojinin, biyoçeşitliliğin evrimini yalnızca yeni mutasyonların oluşumuna dayalı olarak tanımlamaktan uzaklaştığını ve mevcut varyasyonun nasıl birlikte seçilebileceğini kapsayan daha doğru bir görüşe doğru ilerlediğini görmek istediğini söylüyor.

QuantaMagazine

Hibritleşme, Değişkendir!

Bazı biyologlar, tüm bu melezleşmenin gerçekte ne yaptığını bildiğimizi varsaymamızda dikkatli olmamız konusunda ısrar ediyorlar. Stanford Üniversitesi'nde evrimsel biyolog Molly Schumer ve meslektaşları, geçen yıl Heredity’de yaptıkları bir açıklamada şöyle diyorlar:^[8]

Bir alan olarak, genomdaki melez ataların kapsamına ilişkin anlayışımız, evrimsel etkisini anlamadaki ilerlememizin önüne geçti.

Schumer, son on yılda yapılan çalışmaların türler arası hibritleşmenin ne kadar yaygın olduğunu ve hibritleşme belirtilerinin "genomlarında uzun zaman dilimlerinde bir nevi kalıcı" olduğunu açığa çıkarması konusunda heyecanlı olduğunu söylüyor. Fakat hibritleşmenin türleşme üzerindeki rolünü anlamanın henüz başında olduğumuz konusunda da uyarıyor.

Hibritleşmenin türleşme olayındaki rolü o kadar önemli miydi yoksa bu, türlerin evrimleşme tarihinde olan bir şey miydi?

Oldukça çeşitli bir tatlı su balığı grubu olan kılıçkuyruk balıkları üzerine yaptığı çalışma sayesinde fikirleri şekillendi. Genomları yaygın bir hibritleşme gösteriyordu; fakat Schumer, bu hibritleşmenin etkilerinin önceki örneklerden farklı olduğunu söylüyor. Kılıçkuyruklar için hibritleşmenin sonucu kötü oldu çünkü ebeveynlerinin genotipleri aynı genomda aynı anda bulunamıyor, bulununca problemler meydana geliyor ve doğal seçilim tarafından ayıklanıyorlardı.

Schumer, kombinasyonel türleşmenin Marques ve meslektaşları tarafından özetlenen uyarlanabilir yayılımda neler olduğunu az çok yakaladığı konusunda hemfikir. Fakat bu zorlama örnekleri, bu olayın yaygın olduğu konusunda kanıt olarak almamaya dikkat edilmesini istiyorlar. Doğada türler arası hibritleşmenin frekansı hala kesin değil ve çok az anlaşılmış durumda.

Bu konuyu ele alana kadar bunun yararlı bir taslak olup olmadığı sorusunun cevabını gerçekten bilmiyoruz. Ama bu devamlı tartışmaların sürekli olarak temel teorilerimize geri dönüp yeni kanıt olup oluşturmadıklarını sormak gerçekten yaralı ve önemli.

Schumer, hibritleşmenin türleşme üzerindeki etkisini anlamamızın çok fazla çalışma gerektirdiğini söylüyor. Bilim insanları genomlardaki hibritleşme ile türemiş bölümleri tanımlamak konusunda usta haline geldi. "Fakat bu ne yapıyor, organizmaları nasıl etkiliyor?" İşte bu, Schumer’a göre hala belirsiz. Çiklitlerde bu genom bölümlerinden bazıları, UDD opsini gibi, şüphesiz bir şekilde yayılmalarını hızlandırmaya yardımcı oldu. Fakat bazı örnekler kural değil istisna olabilir. Schumer'e göre diğer soylar da çiklitler kadar birbiriyle etkileşti; fakat sonradan onlar kadar yayılım gösteremedi. Schumer, şöyle diyor:

Hibritleşme, gerçekten yaygın ve çoğu zaman nötr veya zararlı gen akışı olabilir.

Fakat ne kadar yararlı veya zararlı olduğunu bilsek de yine de türleşmedeki önemini, genetik uyumsuzlukların kademeli birikimine kıyasla,tam olarak bilemeyiz. Ve türler arasındaki bazı melezlemeler canlı ve verimli melezler verirken, yakın akraba türlerin bile bazen oldukça uyumsuz olduğu ortaya çıkıyor.

Hibritlerin genetiği ve çevreleri arasındaki etkileşim bir yana, hibritleri etkileyen genetik etkileşimler hakkında anlamadığımız çok şey var.

Evrimsel biyologlar, büyük, birleştirici teoriler kendilerini verilerden öne sürüyor gibi göründüğünde bunu tatmin edici bulabilirler. Ama biyoloji bundan daha dağınık alan. Schumer, sözlerini şöyle bitiriyor:

Bu süreçler tamamen sisteme özgü olabilir.