O ile biologia ewolucyjna nie budzi w Polsce większych kontrowersji, o tyle nornice nie mają zbyt dobrego PR-u, szczególnie wśród miłośników ogrodnictwa. Wystarczy wpisać w przeglądarce internetowej hasło „nornica”, aby się przekonać, że interesujemy się nornicami wówczas, gdy dostrzeżemy szkody w wypielęgnowanym ogrodzie. Jak pozbyć się nornic z ogrodu, jak zwalczyć nornice w trawniku, jak obrzydzić nornicom działkę – to nasze najczęstsze utrapienia.

Moja sytuacja wydaje się beznadziejna, mimo to podejmę niełatwą próbę przekonania Czytelnika, że nornica nie tylko nie jest czarnym charakterem, lecz przeciwnie, może być superbohaterem! Zacznijmy od rozprawienia się z czarnym PR-em nornicy rudej. To, co niszczy trawniki i wyjada marchewkę w ogródku, to nie nornica, lecz jej bliski krewny – nornik. To prawdziwy ogrodowy czarny charakter, o burym, niemal czarnym futerku, a nie rudym, jak zamieszkujące lasy nornice.

Na bezludnej wyspie

Aby wyjaśnić, jak to się stało, że drobny gryzoń oczerniany za sprawą działalności swoich krewniaków, stał się obiektem moich wnikliwych badań, sięgnę do początków mojej historii. Dzieciństwo spędziłem w sercu leśnej głuszy, a tata – leśnik – zaszczepił we mnie miłość i szacunek do dzikiej przyrody. Studia przyrodnicze były więc naturalnym wyborem, a spełnieniem moich ówczesnych marzeń – praca w terenie. Okazja do ich realizacji nadarzyła się dość szybko. Naukowcy z instytutu, w którym właśnie podjąłem studia, poszukiwali pomocników do odłowu nornic na bezludnej wyspie na jeziorze Solińskim w Bieszczadach. Tam, kilka lat wcześniej, badacze wypuścili kilkadziesiąt osobników tego gatunku. Coroczne liczenie wszystkich osobników, pobieranie próbek ich materiału genetycznego i wypuszczanie z powrotem na wyspę pozwalały na zbadanie, czy przeżywanie i sukces reprodukcyjny zależą od cech fizjologicznych, takich jak tempo metabolizmu.

W tych okolicznościach doszło do naszego pierwszego spotkania. Nornica ruda to mały gryzoń, na widok którego większość z nas krzyknęłaby: „Mysz!”. Nornica jest jednak bliżej spokrewniona z chomikiem niż z myszą. Oprócz rudego (zgodnie z nazwą) futerka od myszy polnych i leśnych nornicę odróżniają małe oczy i uszy, krótki ogonek i mniej zaostrzony pyszczek. Przeciętna nornica waży około 20 gramów i na pierwszy rzut oka wygląda niepozornie – w niczym nie przypomina czarnego charakteru ani superbohatera. Mnie jednak umożliwiła przeżycie wspaniałej przygody w najdzikszym regionie Polski, więc bez trudu zyskała sporo mojej sympatii. Dzięki nornicom zrozumiałem także, że praca naukowa może być pasjonująca. Wtedy jednak nie mogłem jeszcze wiedzieć, że z nornicami zwiążę się na dobre, oraz że razem utkniemy w laboratorium na ładnych parę lat.

Od żubra do bakterii

Tymczasem, gdy zgłębiałem na studiach różne obszary biologii, moją uwagę przykuła ekologia molekularna. To dziedzina, która wykorzystując nowe technologie, pierwotnie związane z genetyką i biologią molekularną, szuka odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób zachodzą procesy ewolucyjne w naturalnych populacjach. Można badać, przykładowo, zmienność genetyczną populacji żubrów i jej wpływ na przetrwanie tego gatunku lub analizować, jakie geny odpowiadają za specjalizacje ekologiczne, dzięki którym jedne gatunki są drapieżne, inne roślinożerne, jedne szybko biegają, a inne całymi dniami tkwią w bezruchu. Odpowiedzi na podobne pytania mogą mieć również kolosalne znaczenie dla naszego codziennego życia, pomagając zrozumieć, w jaki sposób bakterie chorobotwórcze uodporniają się na antybiotyki, populacje adaptują do zachodzących zmian klimatu, a tzw. szkodniki żerujące na uprawach radzą sobie ze środkami ochrony roślin.

W jaki sposób zachodzi ewolucja? – to podstawowe pytanie, które kołacze się w głowach większości biologów. Na co dzień nie obserwujemy samej ewolucji, a jedynie organizmy – efekty tego powolnego procesu. Naukowcy próbują więc wysnuwać wnioski o jej mechanizmach na podstawie analizy skamieniałości lub porównując spokrewnione ze sobą gatunki. To ograniczenie sprawia, że niełatwo zrozumieć wszystkie zawiłości procesów toczących się w świecie organizmów żywych.

Olimpijskie rezultaty

Jest jednak metoda, która pozwala nam obserwować ewolucję w czasie rzeczywistym. To ewolucja eksperymentalna. W kontrolowanych, laboratoryjnych warunkach hodowane są populacje określonego gatunku, a do rozrodu wybiera się osobniki, które osiągają najwyższą efektywność pod kątem danej cechy. Powtarzając tę czynność przez wiele pokoleń, imituje się naturalny proces ewolucji, w którym potomstwo pozostawiają tylko osobniki o cechach umożliwiających im przeżycie, rozmnożenie i wychowanie potomstwa. W podobny sposób naszym przodkom udało się wyhodować zwierzęta gospodarskie i rośliny uprawne o pożądanych walorach.

Nornica ruda nie jest gatunkiem często hodowanym w laboratoriach, ale ma zalety, które sprawiły, że to właśnie ona, a nie mysz laboratoryjna, stała się bohaterką wieloletniego eksperymentu selekcyjnego w Instytucie Nauk o Środowisku Uniwersytetu Jagiellońskiego. Myszy, od dziesiątek lat przetrzymywane w laboratoriach, nie przypominają swoich dziko żyjących krewnych. Są bardziej łagodne, a ich zmienność genetyczna jest przebudowana. Na ich tle populacja założona ze złapanych w lesie nornic rudych dużo lepiej odzwierciedla sytuację w naturze. Ponadto żywiące się zarówno pokarmem roślinnym, jak i zwierzęcym nornice okazały się idealnym modelem badawczym w eksperymencie służącym analizie ewolucji preferencji pokarmowych.

Oprócz selekcji pod kątem zachowań drapieżniczych, w tym eksperymencie nornice są także selekcjonowane w kierunku osiągnięć sportowych. W pierwszym przypadku warunkiem selekcji jest jak najkrótszy czas, w którym nornica dopadnie ofiarę (jest nią świerszcz, rarytas w norniczym menu), a w drugim preferowana jest wysoka wydolność tlenowa podczas pływania. Po trzynastu pokoleniach sportowe nornice osiągnęły iście olimpijskie rezultaty – zanotowano u nich o 48% wyższą wydolność tlenową organizmu. Drapieżcy natomiast pięć razy częściej wykazywali skłonności do zachowań drapieżniczych. Siedem lat selekcji wystarczyło, żeby zwykłe nornice stały się „supersportowcami” i „superdrapieżcami”. Dla niecierpliwego naukowca siedem lat to wieczność, ale w kontekście ewolucji to mgnienie oka. Okazuje się, że ewolucja może zachodzić błyskawicznie, możemy ją obserwować na własne oczy i badać w czasie rzeczywistym. To doskonała wiadomość dla ewolucjonistów, znacznie gorsza dla krytyków teorii ewolucji.

Genom jest jak księga

Jakie znaczenie mają te wyniki dla zrozumienia mechanizmów ewolucyjnych zachodzących w naturze? Łatwo sobie wyobrazić sytuację, gdy w naturalnych populacjach przetrwać mogą tylko te osobniki, które są w stanie wystarczająco długo utrzymać się na powierzchni wody podczas okresowo pojawiających się powodzi lub te, które będą efektywnie polować na owady przy niedostatku pokarmu roślinnego. Kłopot w tym, że taka presja selekcyjna jest trudna do zaobserwowania w naturze, a obecność innych czynników środowiskowych może utrudnić naukowe śledztwo namierzające geny odpowiedzialne za bycie „super”. Z pomocą przychodzi nam mariaż ewolucji eksperymentalnej i narzędzi biologii molekularnej, umożliwiający badanie podłoża genetycznego o ekologicznie ważnych cech.

To właśnie różnice genetyczne są źródłem zmienności – powodują, że różnimy się od siebie pod względem wielu cech, a najbardziej podobni jesteśmy do rodziców, od których otrzymaliśmy te same warianty genetyczne. Zidentyfikowanie konkretnych wariantów wpływających na daną cechę jest jednak niezwykle trudne. Genom (cały materiał genetyczny danego osobnika), zawierający u człowieka ponad trzy miliardy nukleotydów (podobnie u nornicy), jest jak ogromna księga. Możemy ją zapisać, kodując każdy nukleotyd za pomocą jednej litery: A, T, G i C. Przy założeniu, że przeciętny tom ma 500 tysięcy znaków, do wydrukowania całego genomu potrzeba by ponad sześć tysięcy tomów. Jak w tej ogromnej ilości informacji szukać zmian, które odpowiadają za ewolucję interesującej nas cechy? Pomocna jest wiedza o strukturze i funkcjach genomu, którą nabyliśmy w ostatnich latach. Wiemy, że zdecydowana większość genomu to tzw. śmieciowe DNA, prawdopodobnie niepełniące żadnej ważnej funkcji. W pozostałych jego fragmentach znajdują się interesujące nas sekwencje kodujące białka i regulujące poziom ich ekspresji, sekwencje niekodujących cząsteczek RNA oraz inne fragmenty o często nieznanej funkcji.

Z moich badań wynika, że ewolucja w początkowym stadium następuje głównie poprzez zmiany w regulacji ekspresji białek. Ten wniosek jest ważnym ogniwem pomagającym analizować podłoże genetyczne ewolucji, bo pozwala zawęzić obszar poszukiwań. To wciąż wiele milionów nukleotydów, jednak wiemy, jak efektywnie analizować te dane dzięki zaawansowanym narzędziom bioinformatycznym i metodom obliczeniowym.

Ewolucja może działać szybko

W ten sposób udało mi się zidentyfikować geny potencjalnie wpływające na predyspozycje do długotrwałego wysiłku czy na skłonności do zachowań drapieżniczych u nornic. Usportowione nornice wykazywały zmiany w genach związanych z mobilizacją energii z cukrów i tłuszczów, odpowiedzią na stres, ale też w genach związanych z zachowaniami rozrodczymi. Natomiast u osobników drapieżnych zaobserwowałem zmiany w funkcjonowaniu niektórych części mózgu, w genach związanych z rytmem okołodobowym czy regulacją poziomu głodu.

Wydawać by się mogło, że nie ma to większego znaczenia dla ludzkości. Tymczasem zrozumienie mechanizmów ewolucji i powiązanie cech z konkretnymi genami może pomóc nam w zmierzeniu się z globalnymi wyzwaniami, które są skutkiem zmian zachodzących w środowisku. To szansa na zwiększenie efektywności rolnictwa czy zrozumienie szybko ewoluujących chorób. Dotykamy obszaru wiedzy, który pomoże nam zrozumieć, jak powstaliśmy i w jaki sposób funkcjonuje otaczający nas świat. A to wszystko, między innymi, dzięki nornicy – małemu, rudemu stworzonku, dzielnie pokazującemu nam, że ewolucja to potężna siła, która może działać zaskakująco szybko. Choć wiele pytań pozostaje jeszcze bez odpowiedzi, to nornica ma szansę stać się bohaterką odkryć, które zrewolucjonizują rozumienie zmian, jakie zachodzą w świecie organizmów żywych.