Wiele zwierząt ewoluowało, aby tolerować ekstremalne środowiska, w tym zdolność przetrwania miażdżącego ciśnienia rowów oceanicznych, bezlitosnego upału pustyń i ograniczonego tlenu wysoko w górach. Zwierzęta te są często wysoce wyspecjalizowane do życia w tych specyficznych środowiskach, co ogranicza ich możliwość przenoszenia się do nowych lokalizacji.

Istnieją jednak rzadkie przykłady gatunków, które kiedyś żyły w trudnych warunkach, ale od tego czasu skolonizowały bardziej umiarkowane obszary. Angel Rivera-Colón, były doktorant, obecnie podoktorancki w laboratorium Juliana Catchena (CIS/GNDP), profesor nadzwyczajny na wydziale Ewolucji, Ekologii i Zachowania na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign, bada mechanizmy genetyczne leżące u podstaw tę anomalię u antarktycznych ryb Notothenioid.

Antarktyczne nototenioidy lub krionototenioidy ewoluowały, by żyć w lodowatych wodach wokół Antarktydy, gdzie większość ryb zamarzłaby w stanie stałym, gdyby była wystawiona na tak niskie temperatury. Jednak ryby krionototenioidalne są w stanie przetrwać w tych wodach dzięki przeciwzamrożeniowym glikoproteinom, które wytwarzają w swoich komórkach. AGFP wiążą się z wszelkimi formującymi się kryształkami lodu, zapobiegając ich wzrostowi i zamarzaniu komórek.

Antarktyczne ryby lodowe, rodzina należąca do krionototenioidów, są jeszcze bardziej wyspecjalizowane do życia w lodowatych wodach. Ryby lodowe są również jedynymi kręgowcami, które przystosowały się do życia bez hemoglobiny w komórkach krwi, co powoduje, że ich komórki i tkanki są półprzezroczyste/białe. Hemoglobina jest białkiem w komórkach krwi, które pomaga zwiększyć pobieranie tlenu i powoduje czerwone zabarwienie komórek. Zwykle zwierzęta potrzebują hemoglobiny, aby uzyskać wystarczającą ilość tlenu, ale w zimnych, bogatych w tlen wodach wokół Antarktydy lodowe ryby rozwinęły zmiany morfologiczne, takie jak większe serca do pompowania krwi, przez co nie potrzebują już hemoglobiny, aby uzyskać wystarczającą ilość tlenu.

Pomimo tej skrajnej specjalizacji, jeden gatunek ryb lodowych, zwany Champsocephalus esox, czyli szczupak lodowy, uciekł z Antarktydy i żyje obecnie w cieplejszych, mniej natlenionych wodach Ameryki Południowej. „Przemieszczanie się tego gatunku do cieplejszych wód stanowiło interesującą zagadkę ewolucyjną, którą chciałem rozwiązać” – powiedział Rivera-Colón. „Jeśli specjalizujesz się w życiu tylko w bardzo zimnych środowiskach, jak przetrwasz i przystosujesz się do tego nowego, cieplejszego środowiska?”

Aby zrozumieć, jak zmieniał się genom ryby podczas jej migracji do cieplejszych wód, Rivera-Colón porównał genetykę szczupaka z lodem z antarktycznym gatunkiem lodowej ryby, C. gunnari. Zespół pobrał próbki tkanek zebrane przez współpracowników i rybaków z południowego Chile, Georgii Południowej i Wysp Sandwich w celu sekwencjonowania genomów.

„Po raz pierwszy przyjrzeliśmy się genomowi gatunku Notothenioid, który uciekł z Antarktydy do tego nowego środowiska o klimacie umiarkowanym. Duża część tego wynika z faktu, że szczupak lodowy jest bardzo rzadki i nieuchwytny, więc pomoc tych rybaków również jako współpracownicy do pobierania próbek byli nieodzowni” – powiedział Rivera-Colón. Naukowcy wykorzystali sekwencjonowanie ciągłego długiego odczytu, aby wygenerować genom na poziomie chromosomu dla każdego gatunku ryb.

Po porównaniu genomów odkryli, że chociaż genom był wysoce konserwatywny między gatunkami, istniały rozbieżności w obszarach genomu szczupaka lodowego związanego z fizjologią, która musiałaby się zmienić, gdy ryba przeniosłaby się do cieplejszych wód. Co zaskakujące, genom szczupaka lodowego nadal zawierał wiele kopii genu kodującego AGFP, ale geny były pełne mutacji, które mogą sprawić, że nie będzie działał.

„Większość genów miała wstawione kodony stop” – wyjaśnił Catchen. „Zakładając, że wszystko działa tak, jak byśmy tego oczekiwali, nie zobaczylibyśmy ich transkrypcji na AGFP. Ale geny wciąż tam są i prawdopodobnie mogą nadal być aktywne. Nie jesteśmy pewni”. Naukowcy twierdzą, że podczas gdy mutacje w tym genie u zimnowodnych krionototenioidów mogą oznaczać śmierć, jeśli gen przestanie działać, w cieplejszych wodach selekcja tego genu u szczupaka lodowego uległaby rozluźnieniu, ponieważ ryby nie musiałyby już zapobiegać przed zamrażanie.

Naukowcy odkryli również, że genom szczupaka lodowego wykazywał inwersje chromosomów – gdy część chromosomu zostaje odwrócona w swojej orientacji. „Wiemy, że inwersje i inne zmiany chromosomalne mogą być bardzo ważne w pośredniczeniu w procesach adaptacyjnych, a także w tworzeniu barier między gatunkami” – wyjaśnił Rivera-Colón. „Tak więc znalezienie ich tutaj sugeruje, że mogą być ważne dla adaptacji do cieplejszego środowiska w Ameryce Południowej”. Rivera-Colón wyjaśnił dalej, że inwersje mogą utrudnić mieszanie się dwóch gatunków, przyspieszając specjację między gatunkami siostrzanymi, pomimo podziału zaledwie mniej niż 2 miliony lat temu.

Oprócz ewolucji, by żyć w cieplejszych wodach, szczupaki lodowe musiałyby również przystosować się do innego środowiska świetlnego. Morze wokół Antarktydy jest ciemne przez większą część roku, a lód na powierzchni blokuje większość światła. Jednak w wodach o klimacie umiarkowanym szczupak lodowy ma bardziej normalny cykl dnia i nocy. Zespół bada obecnie ekspresję genów u spokrewnionych ryb, aby zobaczyć, jak ich fizjologia i rytmy okołodobowe przystosowały się do tych nowych cykli świetlnych.

Naukowcy planują również przyjrzeć się genomom i mitochondriom innej pary spokrewnionych gatunków, Trematomus borchgrevinki i Notothenia angustata. Podobnie jak w tym badaniu, T. borchgrevinki żyje w zimnych wodach Antarktydy, podczas gdy N. angustata wtórnie przeniosła się do życia w ciepłych wodach u wybrzeży Nowej Zelandii. Obecne badanie, a także planowane badanie innej pary gatunków, pomoże naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób gatunki wysoce wyspecjalizowane do życia w określonych środowiskach mogą uciec i przystosować się do nowych środowisk.

„Myślę, że jednym z naprawdę interesujących aspektów tego badania jest to, że kwestionuje ono sposób, w jaki opowiadamy historie o tym, dlaczego ewolucja postąpiła tak, a nie inaczej” – opisał Catchen. „Korzystamy z klasycznej historii lodowej ryby, aby wyjaśnić utratę hemoglobiny z powodu zimnych, natlenionych wód, w których się specjalizuje, ale mamy też ten gatunek, który uciekł z powrotem do normalnej temperatury i radzi sobie dobrze. Selekcja doprowadziła organizm do skrajności w w tym kierunku, a potem środowisko się zmieniło, a teraz jest popychane w innym kierunku”.

Rivera-Colón dodał: „Nasze badanie pokazuje tylko, że ta specjalizacja w zakresie ekstremalnego zimna nie jest ewolucyjną ślepą uliczką i pomaga wyjaśnić, w jaki sposób te przejścia zachodzą w przyrodzie”.

Badanie zatytułowane „Genomika wtórnej adaptacji umiarkowanej u jedynych ryb lodowych spoza Antarktydy” zostało opublikowane w Biologia molekularna i ewolucja.