In 2012 was in de vijvers die in Ōtsuchi verschenen na de tsunami van vorig jaar, 38% van de bemonsterde stekelbaarsjes hybride. In 2020 was die genetische vermenging vrijwel verdwenen: de populatie had opnieuw een samenstelling die vrijwel geheel daaraan te danken was Gasterosteus aculeatusde zoetwatersoort. Negen jaar, ongeveer tien generaties. Genoeg zodat de meeste genetische varianten die van de andere soort werden geërfd, steeds zeldzamer werden.
Dit soort onvrijwillige evolutionaire experimenten werd jaar na jaar gevolgd door een groep gecoördineerd door Nationaal Instituut voor Genetica Japanse. De studie gepubliceerd op Natuurecologie en evolutie beschrijft een van de zeldzame gevallen waarin het mogelijk was om vrijwel vanaf het begin te observeren wat er met het genoom gebeurt na hybridisatie die in de natuur plaatsvond.
De oorsprong van alles is veel minder klein dan die van de bestudeerde vis. Op 11 maart 2011 verwoestten de aardbeving in Tōhoku en de daaropvolgende tsunami de noordoostkust van Japan. In Ōtsuchi, in de prefectuur Iwate, overschreden de golven de tien meter en lieten, samen met de verzakking van het land, nieuwe vijvers achter die door zoet water in de stad werden gevoed.
Volgens de reconstructie van de onderzoekers heeft de tsunami het landinwaarts gevoerd Gasterosteus nipponicusmariene stekelbaars, terwijl de eb van het water exemplaren wegsleepte Gasterosteus aculeatus afkomstig van de bovenstroomse waterlopen. De twee vissen bevonden zich dus in dezelfde omgeving en kruisten elkaars pad. De beweging van dieren tijdens de tsunami werd niet direct waargenomen, dus deze dynamiek blijft een reconstructie; daaropvolgende hybridisatie is echter gedocumenteerd.
Er ontstond een hybride populatie. Het een nieuwe soort noemen zou erg voorbarig zijn: wat onderzoekers in de daaropvolgende jaren hebben waargenomen, gaat bijna in de tegenovergestelde richting.
In tien generaties verliezen de varianten van de mariene soort terrein
Van 2012 tot 2020 volgde het team generatie na generatie de genetische samenstelling van stekelbaarsjes. Bij de eerste bemonstering waren de hybriden talrijk, inclusief individuen die al geboren waren uit latere kruisingen met de zoetwatersoort. Dan de genetische bijdrage van Gasterosteus nipponicus begon te dalen.
Het National Institute of Genetics beschrijft het resultaat in vrij duidelijke bewoordingen: tegen 2020 waren de meeste genetische varianten afkomstig van de mariene soorten uit de monsters geëlimineerd en had de populatie weer een samenstelling gekregen die bijna volledig toe te schrijven was aan Gasterosteus aculeatus.
Wetenschappers praten over genoombrede zuiveringeen geleidelijke eliminatie van genetische varianten geïntroduceerd door de andere soorten. Dit betekent niet dat het DNA in de vissen zelf is ‘verwijderd’. Generatie na generatie erfden sommige varianten ervan Gasterosteus nipponicus ze werden steeds zeldzamer omdat de individuen die ze droegen verschillende kansen hadden gehad om te overleven, zich voort te planten of in de vijver te blijven.
De eerste die snel achteruitgingen waren juist enkele regio’s van het genoom die al verbonden waren met de barrières die de twee soorten scheiden: overleven in zoet water, de neiging om naar de zee te migreren, partnerkeuze en reproductieve problemen van mannelijke hybriden. Met andere woorden, regio’s die geassocieerd zijn met enkele van de belangrijkste barrières tussen de twee soorten verloren sneller varianten Gasterosteus nipponicus.
Leef in de vijver of ga naar de zee
@Nationaal Instituut voor Genetica
Een deel van de verklaring lijkt te liggen in de omgeving die door de tsunami is achtergelaten. Gasterosteus aculeatus leeft in zoet water in dit gebied; Gasterosteus nipponicus het is in plaats daarvan een mariene soort die tussen de zee en de binnenwateren kan migreren. In experimenten uitgevoerd door de onderzoekers vertoonden mariene stekelbaarsjes een veel lagere overlevingskans in de zoetwateromgeving dan de inheemse soort. In een proef met 60 individuen per soort werden uiteindelijk 53 exemplaren levend teruggevonden Gasterosteus aculeatus en slechts twee van Gasterosteus nipponicus.
De individuen verkregen door terugkruisingen tussen hybriden en zoetwaterstekelbaarsjes maakten het mogelijk om enkele genetische regio’s te identificeren die verband houden met overleving. In bepaalde delen van het genoom kwamen varianten van mariene soorten minder vaak voor onder de overlevende vissen; in andere waren ze echter meer vertegenwoordigd, wat erop wijst dat hun effect niet altijd nadelig was.
Er is ook een mogelijke fysieke uittreding uit de bevolking. De Ōtsuchi-vijvers staan via kleine doorgangen in verbinding met een stuk brak water en van daaruit met de zee. In experimenten met migratiegedrag Gasterosteus nipponicus vertoonden een grotere neiging om stroomafwaarts te bewegen, terwijl terugkruisingen een tussenpositie innamen. Sommige varianten afkomstig van mariene soorten zouden daarom zeldzamer kunnen worden in de vijver, ook omdat de vissen die ze vervoerden waarschijnlijker zouden wegtrekken. Overleving en migratie verklaren een deel van het verhaal. Niet allemaal.
Toeval alleen is niet genoeg om zo’n snel verlies te verklaren
Wanneer een genetische variant uit een populatie verdwijnt, is het niet noodzakelijkerwijs nodig om natuurlijke selectie in het spel te brengen. Het kan ook gebeuren als gevolg van genetische drift: in elke generatie reproduceert iemand meer, iemand minder, en bepaalde varianten gaan uiteindelijk gewoon door toeval verloren.
De onderzoekers vergeleken vervolgens wat er feitelijk gebeurde met simulaties waarin genetische frequenties veranderden zonder dat één variant bijzonder voordelig of nadelig was. Scenario’s met verschillende populatiegroottes werden ook getest in de gegevens en codes die op Dryad waren gedeponeerd, uitgaande van een schatting van 22.485 individuen.
Voor elk van de 667 diagnostische punten die werden gebruikt om de twee soorten genetisch te onderscheiden, simuleerde het team duizenden keren de evolutie van de varianten in volgende generaties. In het overgrote deel van de gevallen komt de waargenomen afname van varianten voort uit Gasterosteus nipponicus het was sneller dan voorspeld door alleen genetische drift. Kans lijkt dus niet genoeg te zijn.
Maar zelfs een paar regio’s van het genoom met zeer sterke effecten waren niet in staat volledig te reproduceren wat er was gebeurd. De simulaties kwamen dichter bij de echte gegevens door talrijke genetische onverenigbaarheden in het genoom in te voegen: combinaties tussen varianten van de twee soorten die samen in staat zijn om hybriden in volgende generaties te bestraffen.
Dit is een mogelijkheid die door de modellen wordt ondersteund, maar geen bewijs dat deze specifieke onverenigbaarheden daadwerkelijk aanwezig zijn bij Ōtsuchi-stekelbaarsjes. De auteurs zelf noemen als volgende stappen een meer diepgaande analyse van het genoom om te begrijpen welke mechanismen ervoor hebben gezorgd dat de varianten afkomstig van de mariene soorten zo snel zijn afgenomen.
De tsunami vermengde ze, de twee soorten fuseerden niet
De Ōtsuchi-zaak interesseert evolutionisten omdat het ons in staat stelt om binnen een paar jaar iets waar te nemen dat normaal gesproken veel later wordt gereconstrueerd: wat er gebeurt als twee reeds goed gedifferentieerde soorten plotseling weer genen gaan uitwisselen.
Hier was het contact brutaal en zeer snel. In 2012 waren bijna vier van de tien bemonsterde vissen hybriden. Bij de tiende generatie waren in 629 van de 667 genetische punten die werden gebruikt om de twee soorten te onderscheiden, de varianten van Gasterosteus nipponicus ze kwamen niet meer voor in de geanalyseerde vissen. Sommige delen van het genoom behielden ze echter nog steeds.
In de tussentijd hebben overleving in zoet water, migratiegedrag, reproductieve barrières en waarschijnlijk andere genetische onverenigbaarheden die nog moeten worden geïdentificeerd, samengewerkt. De tsunami creëerde de mogelijkheid om het genetische erfgoed van de twee soorten te vermengen. Negen jaar later, in die vijvers, waren de meeste varianten van mariene stekelbaars al uit de monsters verdwenen.
