Ostatnia linia obrony niedźwiedzi polarnych

Topnienie lodu i ocieplenie Arktyki oznaczają dla niedźwiedzi polarnych dramatyczną walkę o przetrwanie. Nowe badania pokazują jednak, że w niektórych populacjach zmiany klimatu uruchamiają procesy adaptacyjne zapisane w DNA. Genetyczne przystosowania mogą zwiększyć szanse przetrwania gatunku w coraz cieplejszym świecie. Pod warunkiem że zwierzęta zdołają znaleźć wystarczającą ilość pożywienia oraz partnerów do rozrodu

Prąd Oceanu Arktycznego jest obecnie najcieplejszy od co najmniej 125 tys. lat, a temperatury nadal rosną. W efekcie przewiduje się, że do 2050 r. wyginie ponad dwie trzecie populacji niedźwiedzi polarnych, a całkowite wymarcie gatunku może nastąpić pod koniec obecnego stulecia.

W naszych najnowszych badaniach odkryliśmy jednak, że zmieniający się klimat wiąże się ze zmianami w genomie niedźwiedzi polarnych, które potencjalnie mogą ułatwiać im przystosowanie do cieplejszych warunków. Jeśli zwierzęta te będą w stanie zdobywać pożywienie i rozmnażać się, istnieje szansa, że przetrwają w nowych, trudniejszych środowiskach.

Zaobserwowaliśmy silny związek między wzrostem temperatur w południowo-wschodniej Grenlandii a zmianami w DNA niedźwiedzi polarnych. DNA, obecne w każdej komórce organizmu, zawiera instrukcje sterujące jego rozwojem i funkcjonowaniem. W procesach transkrypcji i translacji informacja genetyczna jest przepisywana na RNA, co prowadzi do produkcji białek oraz aktywacji transpozonów (TE), zwanych także „skaczącymi genami”. Są to ruchome fragmenty genomu, które mogą przemieszczać się i wpływać na działanie innych genów.

Stwierdziliśmy wyraźne różnice klimatyczne między północno-wschodnią a południowo-wschodnią Grenlandią. W analizach wykorzystaliśmy ogólnodostępne dane genetyczne niedźwiedzi polarnych zebrane przez zespół Uniwersytetu Waszyngtońskiego w USA, pochodzące z próbek krwi zwierząt z obu regionów. 

Nasza praca opierała się na wcześniejszych badaniach, które wykazały, że populacja niedźwiedzi z południowo-wschodniej Grenlandii różni się genetycznie od populacji północno-wschodniej. Niedźwiedzie z południowego wschodu wywodzą się z północy, lecz około 200 lat temu stały się odizolowaną, odrębną grupą.

Amerykańscy badacze wyizolowali RNA z próbek krwi i poddali je sekwencjonowaniu. My wykorzystaliśmy te dane do analizy ekspresji RNA, czyli aktywności genów, w odniesieniu do lokalnych warunków klimatycznych. Pozwoliło nam to uzyskać szczegółowy obraz aktywności genów oraz zachowania transpozonów. Temperatury w Grenlandii są precyzyjnie monitorowane przez Duński Instytut Meteorologiczny, co umożliwiło powiązanie danych klimatycznych z danymi genetycznymi.

Nasze analizy wykazały, że północno-wschodnia Grenlandia charakteryzuje się chłodniejszymi i bardziej stabilnymi warunkami, podczas gdy południowo-wschodnia część wyspy doświadcza cieplejszego i znacznie bardziej zmiennego klimatu. Takie środowisko stwarza liczne wyzwania i prowadzi do przekształcania siedlisk niedźwiedzi polarnych.

W południowo-wschodniej Grenlandii krawędź lądolodu, obejmująca około 80 proc. powierzchni wyspy, szybko się cofa, powodując ogromne straty lodu i siedlisk. Dla niedźwiedzi polarnych oznacza to utratę platform lodowych wykorzystywanych do polowań na foki, a w konsekwencji izolację i niedobór pożywienia.

Północno-wschodnia Grenlandia to rozległa, płaska tundra arktyczna, natomiast południowy wschód pokrywa tundra leśna – strefa przejściowa między lasami iglastymi a tundrą arktyczną. Region ten cechują wysokie opady, silne wiatry oraz strome góry przybrzeżne.

Z biegiem czasu sekwencja DNA może ulegać powolnym zmianom ewolucyjnym, jednak silny stres środowiskowy, taki jak szybkie ocieplenie klimatu, może ten proces przyspieszać. Transpozony działają jak elementy układanki, które potrafią się przemieszczać, czasem wspierając przystosowanie organizmów do nowych warunków.

W genomie niedźwiedzia polarnego około 38,1 proc. stanowią transpozony. Występują w wielu rodzinach i wykazują zróżnicowane zachowania, lecz zasadniczo są to ruchome fragmenty DNA zdolne do losowego wstawiania się w różnych miejscach genomu. Dla porównania, u człowieka transpozony stanowią około 45 proc/ genomu, a u roślin nawet ponad 70 proc. Ich aktywność jest zwykle kontrolowana przez małe cząsteczki ochronne, tzw. piRNA, które potrafią je wyciszać.

Gdy jednak stres środowiskowy staje się zbyt silny, mechanizmy te przestają być wystarczająco skuteczne. W naszych badaniach stwierdziliśmy, że cieplejszy klimat południowo-wschodniej Grenlandii doprowadził do masowej mobilizacji transpozonów w genomie niedźwiedzi polarnych, zmieniając jego strukturę. Zauważyliśmy także, że sekwencje tych elementów są „młodsze” i liczniejsze u niedźwiedzi z południowego wschodu, a ponad 1500 z nich wykazuje podwyższoną aktywność, co sugeruje niedawne zmiany genetyczne sprzyjające adaptacji do rosnących temperatur.

Część tych elementów nakłada się na geny związane z reakcjami na stres i metabolizmem, co wskazuje na ich możliwą rolę w radzeniu sobie ze zmianami klimatu. Analiza „skaczących genów” pozwoliła nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób genom niedźwiedzia polarnego reaguje – w krótszej skali czasowej – na stres środowiskowy.

Odkryliśmy również, że niektóre geny związane z reakcją na stres cieplny, starzeniem się oraz metabolizmem zachowują się inaczej u populacji z południowo-wschodniej Grenlandii. Ponadto znaleźliśmy aktywne transpozony w rejonach genomu powiązanych z przetwarzaniem tłuszczów, co ma kluczowe znaczenie w warunkach niedoboru pożywienia.

Może to oznaczać, że niedźwiedzie polarne z południowego wschodu stopniowo przystosowują się do bardziej zróżnicowanej i uboższej diety, w której większą rolę odgrywają rośliny. Populacje północne żywią się natomiast głównie tłustymi fokami.

Zmiany klimatu przekształcają więc siedliska niedźwiedzi polarnych i prowadzą do zmian genetycznych, a populacje z południowo-wschodniej Grenlandii ewoluują w kierunku przetrwania w nowych warunkach i przy nowych źródłach pożywienia. Zrozumienie tych procesów pozwala naukowcom lepiej ocenić, jak niedźwiedzie polarne mogą funkcjonować w ocieplającym się świecie oraz które populacje są najbardziej zagrożone.

Tekst pierwotnie opublikowany w serwisie The Conversation:
https://theconversation.com/polar-bears-are-adapting-to-climate-change-at-a-genetic-level-and-it-could-help-them-avoid-extinction-269852