Εξελικτική εμφάνιση νέου βιολογικού είδους σε εργαστηριακές συνθήκες

Εξελικτική εμφάνιση νέου βιολογικού είδους σε εργαστηριακές συνθήκες

Τα μικροσκοπικά νηματώδη σκουλήκια C. elegans σχεδόν εξελίχτηκαν σε ένα διαφορετικό είδος που μπορεί να αντισταθεί σε θανατηφόρα βακτήρια

Τη δεκαετία του 1930 ο βιολόγος Τζ. Χαλντέιν έδωσε μια εξήγηση, γιατί το ελαττωματικό γονίδιο της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας δεν εξαλείφθηκε μέσα από τη διαδικασία της φυσικής επιλογής στους πληθυσμούς των τροπικών περιοχών. Η εξήγηση ήταν ότι η μετάλλαξη που προκαλεί την αναιμία δίνει και ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Αν και το μεταλλαγμένο γονίδιο αυξάνει την πιθανότητα θανάτου λόγω αναιμίας, ταυτόχρονα μειώνει στο ένα δέκατο την πιθανότητα ο φορέας του γονιδίου να κολλήσει ελονοσία, κάτι που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα στις γεμάτες κουνούπια τροπικές περιοχές. Σύμφωνα με εργασία Ισπανών ερευνητών, η ιδέα του Χαλντέιν ότι μια μολυσματική νόσος μπορεί να γίνει κινητήρια δύναμη πίσω από τη βιολογική εξέλιξη, είναι δυνατόν τώρα να ελεγχθεί εργαστηριακά, όχι μόνο σε βακτήρια, αλλά και σε σύνθετα ζώα.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικροσκοπικά σκουλήκια, του είδους Caenorhabditis elegans, που είναι συνηθισμένο πειραματόζωο στα βιολογικά εργαστήρια. Οταν το 2001 έκαναν πειράματα για να μελετήσουν την εκπληκτική ταχύτητα με την οποία το βακτήριο Ψευδομονάς σκοτώνει τα σκουλήκια αυτά, σε ένα από τα 152 δισκία Πέτρι που χρησιμοποίησαν για την καλλιέργεια του παθογόνου ανακάλυψαν πλήθος από σκουλήκια που επέζησαν. Θεωρώντας ότι έγινε κάποιο λάθος επανέλαβαν το πείραμα με τα μεταλλαγμένα σκουλήκια για να διαπιστώσουν τελικά ότι όχι μόνο ήταν ανθεκτικά στις Ψευδομονάδες, αλλά ότι τρέφονταν μ' αυτές!

Αν και οι αυθόρμητες μεταλλάξεις σε ιούς και βακτήρια έχουν καταγραφεί πολλές φορές κατά τη διάρκεια πειραμάτων, τέτοιες ραγδαίες αλλαγές σε πιο σύνθετα ζώα σπάνια είναι ευεργετικές γι' αυτά. Οι περισσότερες μεταλλάξεις αποδεικνύονται θανατηφόρες και γι' αυτό δε μεταφέρονται γενετικά στις επόμενες γενιές των ανώτερων ζώων. Αυτό δε φαίνεται να ισχύει για το C. elegans. Οι Ισπανοί μικροβιολόγοι έχουν τώρα στη διάθεσή τους χιλιάδες μεταλλαγμένα σκουλήκια. Τα κανονικά σκουλήκια δείχνουν να ευημερούν μέσα σε ένα δάσος από βακτήρια Escherichia coli, αναδιπλωνόμενα και δονούμενα με απότομες κινήσεις. Αντίθετα, οι απόγονοι των μεταλλαγμένων σκουληκιών δείχνουν εντελώς διαφορετική συμπεριφορά: συστρέφονται αργά, σχεδόν σαν να προσέχουν τις κινήσεις τους. Είναι επίδειξη της εξελικτικής διαδικασίας που συμβαίνει μπροστά στα μάτια του ανθρώπου!

Η διαφορά στον τρόπο κίνησης των μεταλλαγμένων σκουληκιών δείχνει ότι η ικανότητα επιβίωσης απέναντι στα παθογόνα βακτήρια είχε ένα κόστος. Τα μεταλλαγμένα σκουλήκια αναπνέουν πιο ασθενικά σε σχέση με τα κανονικά (απορροφούν 30% λιγότερο οξυγόνο) και δεν είναι τόσο σβέλτα στην αναζήτηση τροφής. Τα μεταλλαγμένα σκουλήκια μπορούν να αντέξουν τα δηλητηριώδη βακτήρια ίσως επειδή χρησιμοποιούν εναλλακτικά ένζυμα αναπνοής. Από τη δαρβινική σκοπιά, το φαινόμενο αντιπροσωπεύει μια δεύτερης τάξης επιλογή, που μοιάζει με τη λειτουργικότητα της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας απέναντι στην ελονοσία.

Τα μεταλλαγμένα C. elegans δεν έχουν εξελιχτεί σε ένα νέο είδος, αλλά δεν απέχουν πολύ. Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει τουλάχιστον επτά διαφορές σε πρωτεΐνες ανάμεσα σε αυτά και τα μη μεταλλαγμένα άτομα του είδους τους. Σε άλλα νηματώδη σκουλήκια, τόσο μεγάλες διαφορές είναι αρκετές για να τους δώσουν χαρακτηριστικά που τα διαφοροποιούν ως είδη. Η διαφοροποίηση των πληθυσμών είναι το πρώτο βήμα και το πείραμα με τα σκουλήκια δείχνει αρκετά παραστατικά πώς γίνεται η εμφάνιση ενός νέου είδους. Η παρακολούθηση της εμφάνισης νέων ειδών στο εργαστήριο έπαψε να είναι επιστημονική φαντασία.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»

    

Τεχνολογικές πρόοδοι στην οπτική μικροσκοπία

Η τεχνική του «εγκεφαλικού τόξου» αποκαλύπτει τη διαδρομή των αξόνων μέσα στην πολύπλοκη «καλωδίωση» του εγκεφάλου

Οταν χρειάζεται να δούμε δομές πολύ μικρές για την ανθρώπινη όραση, η οπτική μικροσκοπία είναι η μόνη επιλογή. Μετά από αρκετά χρόνια στασιμότητας, τον τελευταίο καιρό σημειώνονται σημαντικές πρόοδοι στον τομέα αυτόν. Νέοι φθορίζοντες δείκτες και νέες γενετικές τεχνικές για την ενσωμάτωσή τους μέσα σε βιολογικά δείγματα δημιουργούν το υπόβαθρο για νέες ανακαλύψεις.

Η τεχνική του «εγκεφαλικού τόξου» (κατά το «ουράνιο τόξο») επιτρέπει την εμφάνιση κάθε νευρώνα στον εγκέφαλο ενός ποντικιού με διαφορετικό χρώμα όταν παρατηρείται με ειδικό μικροσκόπιο. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατόν να παρατηρηθούν οι άξονες των νευρώνων μέσα στο περίπλοκο νευρικό κουβάρι και να χαρτογραφηθεί η συνδεσμολογία του εγκεφάλου, κάτι που ήταν αδύνατο με τις προηγούμενες τεχνικές.

Παράλληλα αυξάνεται η ακρίβεια των οπτικών μικροσκοπίων. Ακόμα και μεμονωμένα μόρια πρωτεϊνών μπορούν τώρα να τιτλοφορηθούν και να παρατηρηθούν καθώς κινούνται μέσα στο κύτταρο, ενώ μπορούν να καταγραφούν ζωντανά ακόμα και οι μικρότερες λεπτομέρειες της κυτταρικής διαίρεσης και διαφοροποίησης. Οι ερευνητές μπορούν να καταγράφουν εφήμερα γεγονότα ή γεγονότα που εξελίσσονται σε μεγαλύτερα διαστήματα χρόνου, βλέποντας τη ζωή σε κίνηση με εξαιρετική λεπτομέρεια.

Οι δομές του εσωτερικού αυτιού είναι δύσκολο να απεικονιστούν επειδή βρίσκονται σε μια μικροσκοπική και δύσκολα προσβάσιμη περιοχή. Στην εικόνα φαίνονται καθαρά τα τριχίδια στο εσωτερικό αυτί του ποντικιού, που μετατρέπουν τους ηχητικούς παλμούς σε ηλεκτρικά σήματα. Τα κύτταρα εμφανίζονται πράσινα, οι συνάψεις με άλλα κύτταρα κόκκινες και οι πυρήνες μπλε