CicadaEste destul de uşor să ne imaginăm modul în care o barieră fizică, precum un râu sau un lanţ muntos, ar putea crea noi specii. În cazul în care două populaţii ale aceleiaşi specii ar fi izolate complet, după o vreme nu ar mai exista reproducere între membrii speciilor diferite. Populaţiile ar continua să evolueze separat, iar diferenţele dintre ele ar deveni atât de mari, încât reproducerea ar deveni imposibilă. Astfel, s-ar forma două specii.



Cu toate acestea, există multe exemple în care au apărut specii noi, chiar şi în lipsa existenţei unei bariere; practic, o populaţie se divide în două specii, chiar dacă împarte acelaşi spaţiu. Acest proces se numeşte speciaţie simpatrică, denumirea provenind din limba greacă. Termenul a fost propus în urmă cu mai bine de 100 de ani, fiind foarte controversat în perioada respectivă. Mai târziu, oamenii de ştiinţă au găsit şi mai multe exemple care să vină în sprijinul acestui concept, în care noi specii de viespi, muşte, peşti şi copaci au evoluat separat. Recent, au apărut ştiri despre o furnică ce a evoluat faţă de propria sa specie, deşi trăia în colonia respectivă.

Un alt exemplu recent şi interesant provine de la James Van Leuvens şi John McCutcheon de la Universitatea din Montana şi implică o bacterie denumită Hodgkinia care s-a separat în două specii distincte, în timp ce convieţuia în celulele unei insecte. Nu exista nicio barieră între bacterii. Aceste bacterii sunt înghesuite în aceleaşi strucuri microscopice, însă au reuşit să se separe în două specii diferite.

 



Cele două specii surori reprezintă două jumătăţi ale speciei mamă. Ambele au pierdut gene deţinute de specia mamă, însă au creat şi gene proprii. Fiecare specie compensează pentru pierderile celeilalte; se completează foarte eficient una pe cealaltă şi, dacă ar fi puse împreună, am avea (aproape integral) genomul speciei mamă.

Van Leuven şi MCCutcheon au descoperit aceste bacterii prin studiul asupra cicadelor, insecte cunoscute pentru sunetele lor puternice. În urmă cu 5 ani, cei doi au demonstrat că o anumită specie de cicade deţine 2 bacterii în celulele ei: Sulcia şi Holdgkinia. Totuşi, prezenţa bacteriilor este normală; multe insecte au bacterii interne utile (endosimbioti). La insectele purtătoare de microbi, ca cicadele, bacteriile au rol de suplimente alimentare, creând nutrienţi care lipsesc din dieta "purtătorilor".

Atunci când Van Leuven şi McCutcheon au analizat ADN-ul unei cicade sud-americane denumită Tettigades undata, rezultatul experimentului a fost neaşteptat. Cei doi au descoperit fragmente de ADN al bacteriei Hodgkinia, însă nu au putut să unească aceste "piese" într-un singur genom; fragmentele de ADN erau întotdeauna separate (H1 şi H2).

Cele două genomuri aparţin unor bacterii diferite şi nu  au fost niciodată descoperite în aceeaşi celulă. Echipa a dovedit asta prin etichetarea lor cu ajutorul unor molecule fluorescente: culoarea galbenă pentru H1 şi culoarea albastră pentru H2. Rezultatul se poate vedea în imaginea de mai jos. Fiecare punct reprezintă o bacterie şi conţine fie H1, fie H2, însă niciodată pe ambele. Punctele verzi reprezintă bacteria Sulcia, iar cele  mov aparţin cicadei.



Aceste două bacterii aparţin unui strămoş comun, H0, de acum 5 milioane de ani. Cei doi oameni de ştiinţă şi-au dat seama de trăsăturile Ho prin studierea unei alte specii de cicade, care deţine doar un genom de Hodgkinia cu 137 de gene. Dintre acestea, 20 se găsesc exclusiv în H1, iar 44 doar în H2. Cu excepţia uneia singure, celelalte gene apar fie în una, fie în ambele specii surori.

Acest model seamănă cu procesul în care o specie îşi reproduce genomul, cum s-a întâmplat de multe ori în evoluţia florilor sau a peştilor. Deodată speciile deţin două copii ale fiecărei gene şi, deoarece are nevoie doar de una dintre ele, cea de-a doua este neprotejată în calea mutaţiilor care o slăbesc şi o distrug - fapt care se întâmplă adesea. Rezultatul este un genom cu aproape acelaşi număr de gene, dar care comprimă o materie dublă.

Van Leuven şi McCutcheon au observat acelaşi proces la cicadele studiate; Hodgkinia originară s-a divizat în două genomuri diferite. Însă în cazul duplicării întregului genom, ADN-ul duplicat rămâne componentă a aceluiaşi genom. În acest caz, H1 şi H2 sunt entităţi separate, iar procesul care le-a creat seamănă cu procesul de tăiere pe grosime a unei monede. Prin urmare, H1 şi H2 nu au caracteristici în plus faţă de H0.

Ho creează nutrienţi precum vitamina B12 şi metionina pentru a hrăni cicada. În acest proces sunt implicate mai multe gene, câte una pentru fiecare pas din lanţul de reacţii chimice ce produc nutrienţii. Între acestea, H1 şi H2 pot realiza acelaşi proces, însă niciuna dintre ele nu deţine întreaga gamă de caracteristici pentru lanţul respectiv. Astfel, H1 şi H2 sunt nevoite să conlucreze, transmiţând între ele substanţe chimice, la fel ca în cazul unei linii de producţie aflate între două fabrici alăturate.

Oare cum a evoluat acest sistem complicat? Cum au reuşit H1 şi H2 să rezulte dintr-o populaţie de celule Ho?

Deşi este dificil de precizat, McCutcheon are o teorie ilustrată în diagrama de mai jos.

Fiecare bacterie Hodgkinia conţine mii de copii ale genomului său (cercurile verzi) în aceleaşi celule (contururile negre). La un anumit punct, o bacterie formează o mutaţie în doar unul din genomurile sale, care  descompune o genă (marcată cu galben). O a doua bacterie  formează o mutaţie, tot într-un singur genom, care, la rândul ei, descompune o altă genă (marcată cu albastru).



Cu atât de multe genomuri în fiecare celulă, aceste mutaţii nu contează. Ele sunt invizibile pentru selecţia naturală şi libere să se răspândească. Pe măsură ce bacteriile se divid, generaţiile viitoare pot avea două genomuri cu mutaţii, apoi 4 şi apoi 8 (C).

La final, are loc un proces în care apar şiruri de celule unde fiecare genom are o mutaţie galbenă sau albastră. Un şir luat separat este inutil pentru existenţa cicadei, deoarece nu produce gama de nutrienţi necesară ei. Aceste şiruri conlucrează şi stau unul lângă altul. Fiecare şir pierde din ce în ce mai multe gene, însă întotdeauna într-un mod complementar. În final, devin H1 şi H2.

Probabil că are o contribuţie la faptul că cicada poate trăi până la 17 ani, durata fiind mare pentru o insectă şi o eternitate pentru o bacterie. Majoritatea timpului, cicadele duc o viaţă sub pământ, sub formă de nimfe care se dezvoltă încet; în această perioadă, H1 şi H2 nu sunt importante pentru insectă, deoarece se pot modifica, evolua şi pot forma mutaţii, una în detrimentul celeilalte, însă inofensive pentru gazdă. Aceste schimbări ale celor specii ar reprezenta o problema mult mai mare pentru insectele cu o durata scurtă de viaţă, cum ar fi afidele, deoarece, atât gazda, cât şi bacteriile, ar fi eliminate prin selecţie naturală. Probabil nu este o coincidenţă faptul că, la cicadele cu durată de viaţă lungă, genomurile sunt lăsate pe cont propriu

McCutcheon  consideră că acesta este un caz clar de evoluţie neadaptivă. Hodgkinia şi cicada nu au avut nimic de câştigat de pe urma divizării speciei. Pur şi simplu, acest proces s-a întâmplat în mod aleator şi ne aduce aminte de faptul că evoluţia nu este o ascensiune spre specii superioare sau mai eficiente. Uneori, evoluţia duce la complexitate, fără un motiv anume. ,,Noua simbioză nu este cu nimic mai bună decât cea simplă. Este doar mai complicată", conclude savantul.

Traducere de Marian Curuescu după one-species-becomes-two-inside-an-insect