Een van de meest interessante grootschalige patronen in de evolutie is parallellisme. De vlucht is bijvoorbeeld vele malen parallel geëvolueerd uit talloze niet-vliegende organismen; veel soorten gewervelde dieren die geen vis zijn, zijn geëvolueerd in parallel zwemmen. Eén studie ontdekte parallelle evolutie in kogelvrije vesten bij zoetwatervissen van talrijke zoutwatervoorouders.
Een ander interessant ding over evolutie, dat pas de laatste decennia op prijs werd gesteld, is het feit dat er geen eenvoudige overeenkomst is tussen genen en eigenschappen. Zelden bepaalt één gen één eigenschap, en zelden varieert één eigenschap vanwege één gen. Er zijn tientallen voorbeelden van eenvoudige gen-eigenschaprelaties, waarvan vele jaren geleden werden ontdekt. Omdat deze relaties relatief gemakkelijk te vinden en te beschrijven waren, zitten onze studieboeken er vol van en was ons denken over genetica lange tijd daarop gebaseerd. Maar dit is een beetje zoals baseren op onze opvatting over hoe alle voertuigen werken door de werking van een speelgoedwagen diep te begrijpen. De mechanica en engineering van een kleine rode wagen zullen ons niet helpen bij het begrijpen van roltrappen, onderzeeërs of Apollo-lanceersystemen voor de maan. We denken nu dat de meeste genen meerdere eigenschappen beïnvloeden en de meeste eigenschappen worden beïnvloed door meerdere genen, en dat het allemaal erg complex is.
Een recent onderzoek naar stickleback-gedrag lijkt een voorbeeld van één gen dat meerdere eigenschappen beïnvloedt.
Sticklebacks zijn leden van de Gasterosteidae-familie van vissen, met soorten die in zout en zoet water leven. De zoetwater sticklebacks evolueerden van zoutwater voorouders die minder dan ongeveer 17.000 jaar geleden door land ingesloten waren op veel locaties op het noordelijk halfrond. Om deze reden vertegenwoordigen verschillen tussen zoetwater- en zoutwatersticks de recente en snelle evolutie bij een bekende groep soorten en zijn daarom bijzonder interessant voor wetenschappers.
Zoutwater sticklebacks hebben tot 36 benige platen geassocieerd met een kleiner aantal scherpe stekels. Deze platen en stekels beschermen de vis tegen roofdieren, maar ze zijn duur om te produceren en te onderhouden. De benige platen vereisen extra calcium, wat zeldzaam is in sommige omgevingen, en ze beperken de lichaamsbewegingen van de vis.
Zoetwater sticklebacks hebben meestal minder stekels en benige platen. Sommigen hebben een opening in de rij platen (dit wordt een "gedeeltelijke morph" genoemd), terwijl anderen slechts een paar platen aan de achterkant van de vis hebben ("lage morph"). Zoet water bevat minder calcium dan zout water, dus dit kan een aanpassing zijn aan een beperkende hulpbron. Zoetwateromgevingen hebben ook de neiging om minder roofdieren te hebben dan zoutwateromgevingen, dus de beschermende eigenschappen van de benige platen kunnen minder belangrijk zijn in zoet water; misschien was er een ontspannen natuurlijke selectie op dit pantser, en na verloop van tijd ging het verloren in veel verschillende populaties parallel.
In een studie uit 2005 keken wetenschappers naar een gen ( Eda ) dat de groei van de botplaat bepaalt en ontdekten dat zoetwater sticklebacks een variant van het gen hadden waardoor minder platen in die populaties werden gevormd. Het gen Eda heeft waarschijnlijk een regulerende functie, dus het zou een van een reeks fenotypes kunnen bepalen, van de volledig gepantserde zoutwaterversie tot de twee minder gepantserde versies die in zoet water worden gevonden. Een combinatie van genetische en populatieanalyse bracht de onderzoekers ertoe te ontdekken dat de meeste zoetwatersticks op het noordelijk halfrond die een verlies van benige platen vertonen, dit doen omdat ze allemaal een variant van Eda erfden die zeldzaam is in de oorspronkelijke zoutwaterpopulaties. Dus de eigenschap evolueerde parallel in vele geslachten, die allemaal uit verschillende zoutwaterpopulaties kwamen, maar het evolueerde ook uit een enkele reeds bestaande vorm van het gen. Er werd echter ook gevonden dat een of meer van de noordelijke hemisfeer sticklebacks met verminderde benige platen deze eigenschap kregen van een geheel andere genetische verandering.
Deze eigenschap is dus een voorbeeld van een kenmerk dat door meer dan één gen wordt bepaald, en een voorbeeld van parallelle evolutie die op meer dan één manier plaatsvindt.
Een tweede studie die zojuist is gemeld tijdens een wetenschappelijke bijeenkomst, kijkt naar wat een heel andere vraag lijkt te zijn over de evolutie van stickleback. De meeste sticklebacks vormen scholen, wat een gebruikelijke aanpassing is bij vissen, volgens het principe dat er veiligheid in cijfers is. Maar er is één populatie van zoetwatersticks die geen scholen vormen. De sticklebacks van Paxton Lake, in British Columbia, Canada, zwemmen meestal alleen. In plaats van scholen te vormen, verbergen ze zich in dikke vegetatie op de bodem van Lake Paxton.
Het onderzoeksteam onder leiding van Anna Greenwood van het Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle bedacht een machine om het scholingsgedrag in sticklebacks te testen en te meten. Dit bestaat uit een mobielachtig cluster van nepvissen die samen als een robotschool in een cirkel rond een groot aquarium bewegen. Toen vissen van een scholende populatie sticklebacks met deze machine in het water werden geplaatst, voegden ze zich bij de nepvis en zwommen met hen mee. Toen vissen van niet-scholende bevolking met deze machine in het water werden geplaatst, gingen ze niet naar school. Deze twee populaties zijn zo nauw verwant dat ze kunnen kruisen. De onderzoekers testten nakomelingen van de scholende en niet-scholende vissen om te zien welk gedrag elke vis zou vertonen. Zoals verwacht, sommigen geschoold, en sommigen niet. Toen de hybride vissen eenmaal waren uitgezocht, werden hun genen onderzocht om te zien of er een bepaalde signatuur was die ging met scholing versus alleen zwemmen.
Het blijkt dat het gen dat het scholingsgedrag bij deze vissen lijkt te beheersen, niemand anders is dan Eda, hetzelfde gen dat het aantal botplaten regelt.
Dus de sticklebacks geven ons niet alleen een geweldig voorbeeld van hoe parallelle evolutie kan ontstaan, maar ook een geweldig voorbeeld van een gen dat meer dan één eigenschap beïnvloedt. Maar hoe gaat dat in zijn werk? De vissen die geen benige platen ontwikkelen, ontwikkelen ook geen volledig functionerende zijlijn. Een zijlijn is een zintuig dat veel vissen hebben en waarmee vissen elders in het water beweging kunnen detecteren. Sommige roofvissen gebruiken de zijlijn om hun prooi te vinden, andere vissen gebruiken de zijlijn om roofdieren te detecteren en dus voorkomen dat ze prooi worden, en scholende vissen gebruiken de zijlijn om de andere vissen in de school bij te houden. Blijkbaar kunnen de sticklebacks met de slecht ontwikkelde zijlijnen niet naar school omdat ze de andere vis niet goed kunnen voelen met wie ze hun bewegingen zouden moeten coördineren.
bronnen:
Colosimo, Pamela F., Kim E. Hosemann, Sarita Balabhadra, Guadalupe Villarreal, Jr., Mark Dickson, Jane Grimwood, Jeremy Schmutz, Richard M. Myers, Dolph Schluter en David M. Kingsley. 2005. Brede parallelle evolutie in sticklebacks door herhaalde fixatie van Ectodysplasin Alleles Science 25 maart 2005: 307 (5717), 1928-1933.
Pennisi, Elizabeth. 2012. Robotic Fish Point to Schooling Gene. Nieuws en analyse. Science 335 (6066): 276-277. DOI: 10.1126 / science.335.6066.276-b
