Eine neue Studie bietet einen verbesserten Einblick in die miteinander verflochtenen Evolutionsgeschichten von Eisbären und Braunbären.
Dass sie zu getrennten Arten wurden, hinderte diese Tiere nicht vollständig daran, sich miteinander zu paaren. Wissenschaftler wissen das schon seit einiger Zeit, aber die neue Forschung stützt sich auf einen erweiterten Datensatz – einschließlich DNA von einem alten Eisbärenzahn – um mehr Details herauszukitzeln.
Die Geschichte, die entsteht, enthüllt Komplexitäten, die denen ähneln, die die menschliche Evolutionsgeschichte verkomplizieren.
„Die Bildung und Erhaltung von Arten kann ein chaotischer Prozess sein“, sagt Charlotte Lindqvist, Ph.D., außerordentliche Professorin für Biowissenschaften an der University at Buffalo College of Arts and Sciences und Expertin für Bärengenetik. „Was mit Eisbären und Braunbären passiert ist, ist eine nette Analogie zu dem, was wir über die menschliche Evolution lernen: dass die Aufspaltung von Arten unvollständig sein kann. Da immer mehr alte Genome aus alten menschlichen Populationen, einschließlich Neandertalern und Denisova-Menschen, gewonnen wurden , sehen wir, dass es eine multidirektionale genetische Vermischung gab, als sich verschiedene Gruppen archaischer Menschen mit Vorfahren moderner Menschen paarten. Eisbären und Braunbären sind ein weiteres System, bei dem Sie dies sehen können.
„Wir finden Beweise für eine Kreuzung zwischen Eisbären und Braunbären, die älter sind als ein uralter Eisbär, den wir untersucht haben“, sagt sie. „Und darüber hinaus zeigen unsere Ergebnisse eine komplizierte, verflochtene Evolutionsgeschichte zwischen Braun- und Eisbären, wobei die Hauptrichtung des Genflusses von Braunbären in Eisbären geht um den Höhepunkt der letzten Eiszeit herum in Braunbären zu gehen.“
Die Studie wird in der Woche vom 6. Juni im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences. Es wurde von Lindqvist bei UB in den USA geleitet; Luis Herrera-Estrella vom National Laboratory of Genomics for Biodiversity (LANGEBIO) in Mexiko und der Texas Tech University in den USA; und Kalle Leppälä an der Universität Oulu in Finnland. Tianying Lan, Ph.D., ein ehemaliger Postdoktorand der UB, jetzt bei Daicel Arbor Biosciences, war Co-Erstautor mit Leppälä.
Das Konzept von an die Arktis angepassten Eisbären, die genetisches Material von Braunbären fangen, die an das Leben in niedrigeren Breiten angepasst sind, ist eine von mehreren Erkenntnissen, die für Wissenschaftler, die sich mit den Auswirkungen des Klimawandels auf bedrohte Arten befassen, von Interesse sein könnten.
Da sich die Welt erwärmt und das arktische Meereis abnimmt, können Eisbären und Braunbären an Orten, an denen sich ihre Verbreitungsgebiete überschneiden, häufiger aufeinander treffen. Dies macht ihre gemeinsame Evolutionsgeschichte zu einem besonders faszinierenden Studienobjekt, sagt Lindqvist.
Die Aufspaltung von Arten kann ein chaotischer Prozess sein
Wie Lindqvist erklärt, dachten Wissenschaftler einst, dass sich moderne Menschen und Neandertaler einfach in getrennte Arten aufspalten, nachdem sie sich von einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben. Dann fanden Forscher Neandertaler-DNA bei modernen eurasischen Menschen, was darauf hindeutet, dass moderne menschliche Populationen irgendwann in ihrer gemeinsamen Evolutionsgeschichte einen Zustrom von Genen von Neandertalern erhalten haben, sagt sie.
Erst später erkannten Wissenschaftler, dass diese genetische Vermischung auch Neandertaler-Populationen mit modernen menschlichen Genen ergänzte, fügt Lindqvist hinzu. Mit anderen Worten, Kreuzung kann komplex sein und nicht unbedingt eine Einbahnstraße, sagt sie.
Die neue Studie über Bären enthüllt eine bemerkenswert ähnliche Geschichte: Die Analyse findet Hinweise auf eine Hybridisierung sowohl im Genom von Eisbären als auch von Braunbären, wobei insbesondere Eisbären eine starke Signatur eines Einstroms von DNA von Braunbären tragen, sagen Forscher. Frühere Forschungen schlugen nur das umgekehrte Muster vor, sagt Lindqvist.
„Es ist spannend, wie die DNA dazu beitragen kann, die Geschichte des alten Lebens aufzudecken. Die Richtung des Genflusses ist schwieriger zu bestimmen als nur seine Anwesenheit, aber diese Muster sind entscheidend für das Verständnis, wie frühere Anpassungen zwischen den Arten übertragen wurden, um modernen Tieren ihre aktuellen Merkmale zu verleihen“, sagt Leppälä, Ph.D., Postdoktorand in der Forschungseinheit für mathematische Wissenschaften an der Universität Oulu.
„Populationsgenomik ist ein immer leistungsfähigeres Werkzeug zur Untersuchung der Pflanzen- und Tierentwicklung und der Auswirkungen menschlicher Aktivitäten und des Klimawandels auf gefährdete Arten“, sagt Herrera-Estrella, Ph.D., President’s Distinguished Professor of Plant Genomics und Direktor des Institute of Genomik für abiotische Stresstoleranz bei Nutzpflanzen in der Texas Tech Abteilung für Pflanzen- und Bodenkunde. Er ist außerdem emeritierter Professor bei LANGEBIO. „Bären liefern nicht mehr einfache Speziationsgeschichten als die menschliche Evolution. Diese neue Genomforschung legt nahe, dass Säugetierartengruppen komplizierte Evolutionsgeschichten verbergen können.“
Beweise aus modernen Bärengenomen – und DNA aus einem alten Zahn
Die Studie analysierte die Genome von 64 modernen Eis- und Braunbären, darunter mehrere neue Genome aus Alaska, einem Bundesstaat, in dem beide Arten vorkommen.
Das Team produzierte auch ein neues, vollständigeres Genom für einen Eisbären, der vor 115.000 bis 130.000 Jahren im norwegischen Svalbard-Archipel lebte. DNA für den alten Eisbären wurde aus einem Zahn extrahiert, der an einem subfossilen Kieferknochen befestigt war, der heute im Naturhistorischen Museum der Universität Oslo untergebracht ist.
Anhand dieses Datensatzes schätzen die Forscher, dass Eisbären und Braunbären vor etwa 1,3 bis 1,6 Millionen Jahren begannen, eigenständige Arten zu werden, und aktualisieren frühere Einschätzungen einiger derselben Wissenschaftler. Das Alter der Spaltung war und bleibt ein Thema wissenschaftlicher Debatten, wobei frühere Kreuzungen und begrenzte fossile Beweise für alte Eisbären zu den Faktoren gehören, die es schwierig machen, den Zeitpunkt genau zu bestimmen, sagt Lindqvist.
In jedem Fall: Nachdem Eisbären ihre eigene Art geworden waren, erlitten sie einen dramatischen Bevölkerungsrückgang und einen anhaltenden genetischen Engpass, wodurch diese Bären eine viel geringere genetische Vielfalt als Braunbären haben, so die neue Studie. Die Ergebnisse bestätigen frühere Untersuchungen, die auf dieselben Trends hinweisen, und fügen Beweise hinzu, die diese Hypothese stützen.
Zusammen mit der Analyse des Genflusses liefern diese Ergebnisse neue Einblicke in die chaotische, verflochtene Evolutionsgeschichte von Eisbären und Braunbären.
Das internationale Forschungsteam umfasste Wissenschaftler von UB, LANGEBIO, Texas Tech, der University of Oulu, dem Far Northwestern Institute of Art and Science, dem Alaska Department of Fish and Game, dem Natural History Museum an der University of Oslo, der Nanyang Technological University, Universität Helsinki und Universität Aarhus.