Možemo li se klimatskim promjenama suprotstaviti promjenama genoma

Organizmi se od promjena kao što su klimatske brane migracijom, aklimatizacijom i adaptacijom, piše Tamara Čačev. Biljke i dio životinjskih vrsta ipak ne migrira već se aklimatizira i adaptira, no još je premalo vremena proteklo da možemo govoriti o promjenama genoma u okolnostima klimatskih promjena. Ali istraživanja ima

• Naslovna ilustracija: Srušeno stablo u zagrebačkom Zoološkom vrtu. Sandra Šimunović, Pixsell

• Dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Iako su neki i sumnjali u postojanje klimatskih promjena, nedavni kataklizmički događaji s nevremenom koje je pogodilo ovaj kutak svijeta sigurno su i takve potaknuli da preispitaju svoje mišljenje. Premda je čovjek u cjelokupnoj povijesti Zemlje tek relativno nedavno počeo utjecati na fizikalne parametre okoliša u kojem obitava te je trebalo dugo vremena da se taj učinak uopće uoči, sada počinjemo shvaćati kako je on sveobuhvatan i s dalekosežnim posljedicama za sva živa bića uključujući i nas same. Možemo misliti kako smo superiorni u odnosu na ostali život na Zemlji te ćemo našim intelektom nadvladati sve nedaće koje nas snađu, no gola sila prirode nas gotovo svakodnevno demantira.

A što je s rezilijentnošću i fleksibilnošću na promjene okoliša koju nam je podarila ta ista priroda. Svi je organizmi imaju u većoj ili manjoj mjeri. Biljke tu svakako prednjače zbog svog hendikepa da nemaju noge te ne mogu natprosto pobjeći od ugroze koja im prijeti već se koliko je moguće na nju nastoje prilagoditi. Neki su organizmi prilagodljivi u prilično širokim skalama raznih fizikalnih parametara, no najčešće se tu radi o jednostavnim organizmima. Kako se uspinjemo na evolucijskoj ljestvici tako je sve manje prostora za improvizaciju. Uzmimo primjer udjela kisika u atmosferi ili vodi. Kada bi se taj udio značajno smanjio izvan našeg fiziološkog raspona, nestali bismo s lica Zemlje brojano u minutama. Slično se događa i s ribama kada u nekom toku, npr. nakon ispusta neke tehničke vode iz tvornice temperatura poraste za koji stupanj Celzijusa. Može se činiti beznačajnim, pa što onda, bar će ribama biti toplije, no udio kisika u vodi koji ovisi i o njenoj temperaturi odjednom više nije u fiziološkom rasponu te nastupa pomor riba. Bismo li mogli preživjeti duže vremena u okolišu kojem su temperature više od 45°C bez zaklona i zaštite? Ni u kome slučaju, najprije jer bismo izgubili vodu koja je glavni reakcijski medij za sve biokemijske procese u našem organizmu a zatim bi došlo do denaturacije odnosno nepovratnog oštećenja naših proteina koji su glavni egzekutori svih procesa u stanicama i njihovom okolišu. I to bi bio kraj, to uostalom i jest kraj kada se netko nekom nevoljom nađe u takvim uvjetima, a svi znamo da je kada smo bolesni apsolutno neophodno snižavati povišenu tjelesnu temperaturu iz istih ovih razloga. Kolokvijano rečeno da ne bismo „zakuhali“ poput jajeta u kipućoj vodi što je školski primjer denaturacije proteina.

No ima li tu pomoći, ako se ne možemo prilagoditi, možda možemo evoluirati? Ovo je pitanje kontroverzno jer se smatra kako je vrijeme u kojem promatramo promjene u genomu čovjeka u smislu odgovora na promjene u okolišu relativno kratko u odnosu na sveukupni tijek evolucije, no opet predugo da bismo imali mjerenja i podatke za neki vremenski period u kojem bi bilo za očekivati da se takve promjene dogode. I ne radi se ovdje samo o promjenama koje imaju direktni učinak na čovjekov genom. Na nas u konačnici mogu utjecati i promjene u genomima svih onih organizama koji su naizgled vrlo udaljeni od našeg života a to je najbolje ilustrirati primjerom. I to jednim od onih za koji se dobar dio populacije kada se na televiziji prikaže reportaža o nekom znanstveniku koji se bavi nekim organizmom kojeg je uživo vidjelo možda stotinjak ljudi u svijetu zapita na što se troše naši novci.

Acartia tonsa (Wikimedia commons) pogodna je za proučavanje promjena u genomu koje nastaju kao odgovor na izmijenjene uvjete morskog okoliša.

Jedan od takvih organizama je Acartia tonsa, neću se ni ja praviti eksperticom, iako sam na kraju ipak biologinja po struci, i ulaziti u dublja objašnjenja osim da se radi o pripadniku morskog planktona koji je značajan izvor hrane morskih riba.  Ova vrsta se proučava u svojstvu bioindikatora, odnosno svojevrsnog pokazatelja čije promjene se mogu pratiti u ovisnosti o uvjetima u okolišu. U istraživanjima morskih hranidbenih lanaca A. tonsa je dobar pokazatelj kako bi ovi lanci mogli reagirati na klimatske promjene. S druge pak strane ova je vrsta pogodna i za proučavanje promjena u genomu koje nastaju kao odgovor na izmijenjene uvjete morskog okoliša. Kako je u stvarnim uvjetima okoliša teško provoditi kontrolirane eksperimente, ovaj je organizam pogodan i za eksperimente simulirane evolucije u laboratoriju. Konkretno, ovi su planktonski organizmi izloženi različitim promjenama okoliša kao što su porast temperature vode i visoke koncentracije CO₂ (pokazatelj acidifikacije mora) te su praćeni kroz 25 generacija (još jedna od pogodnosti korištenja ovih organizama je i kratak životni cikus).Pokazalo se kako je sveukupni „fitness“ populacije isprva pao no kasnije je došlo do adaptacije na stresore iz okoliša kroz nekoliko generacija. Kada je genom ovih organizama sekvencioniran pokazalo se da je došlo do promjena u učestalosti pojedinih alela (verzija nekog gena) u 25. u odnosu na početnu generaciju. Adaptivni aleli uočeni su za gene koji imaju ulogu u razvoju i morfogenezi. Ono što je bilo dodatno alarmirajuće iako ne i neočekivano jest da su udruženi stresori imali sinergistički učinak a i utjecaj koji je uočen na genomu ovih organizama bio je drugačiji u odnosu na učinak koji je uočen djelovanjem svakog stresora zasebno.Takva situacija ujedno je i bliža realnim situacijama koje su prisutne u okolišu na kojeg čovjek utječe mjenjajući više parametara istovremeno. Spoznaja da udružene promjene više parametara izazivaju i značajnije promjene u genomu organizama nego svaka od njih pojedinačno, također pokazuju da su kompleksni multiparametrijski eksperimenti nužnost u ovakvom tipu istraživanja.

Početkom ove godine izašla je još jedna zanimljiva studija u kojoj su analizirani genomi preko 250 različitih vrsta ptica u cilju pronalaženja obilježja koja bi ukazivala na diverzifikaciju svojstava kako u dalekoj prošlosti tako i u ovom recentnom periodu značajnijeg klimatskog zatopljenja. Karakteristike koje su istraživane bile su kombinacija morfoloških, ekoloških i reproduktivnih svojstava koja su povezana s dugotrajnim smanjivanjem broja jedinki u populaciji. To su potencijalno ujedno i svojstva koja bi mogla poslužiti kao proxi za praćenje osjetljivosti vrste na uvjete globalnog zatopljenja jer mi tek zapravo trebamo utvrditi koja svojstva moramo pratiti. Također se postavlja pitanje jesu li opažanja za neku vrstu u nekom geografskom prostoru kroz nekoliko godina ili dekada informativna i prenosiva na općeniti utjecaj klimatskih promjena na globalne tijekove u dužem vremenskom periodu. Stoga je ova studija na pticama jedan od značajnijih pokušaja da se objedine napori na međunarodnoj razini budući da su u istraživanje uključeni genomi sa svih strana svijeta kao i promjene u genomima koje su ove vrste doživjele u proteklih skoro milijun godina do danas.

Vrste koje uspijevaju opstati u recentnom intenzivnijem globalnom zagrijavanju već unatrag 150 tisuća godina nisu doživjele značajnije izmjene u istraživanoj kombinaciji svojstava već bi se moglo reći kako su ‘unaprijed’ bile opremljene svojstvima koja im koriste u današnjem vremenu

Dobiveni podaci predstavljaju vremenski snapshot genoma ovih vrsta koji može služiti kao referencija za daljne uočene promjene. Podaci dobiveni sekvenciranjem uspoređeni su s drugim karakteristikama ovih ptica kao što su veličina, migracijske strategije te reproduktivna sposobnost. U istraživanje su bile uključene na tisuće ptica kao i uzorci pohranjeni u muzejima. Rezultati ove studije ukazuju da vrste koje imaju veću sposobost disperzije i/ili migracije u druga područja imaju višu rezilijentnost na izumiranje jer uspijevaju pronaći staništa koja odgovaraju njihovim životnim „postavkama“ (temperatura, izvor hrane, period godine pogodan za reprodukciju i podizanje mladih, prisutnost predatora…) te preživjeti milijune godina, dok one koje to ne uspiju izumiru. S druge pak strane vrste koje uspijevaju opstati u recentnom periodu intenzivnijeg globalnog zagrijavanja pokazuju kako već unatrag 150 tisuća godina nisu doživjele značajnije izmjene u istraživanoj kombinaciji svojstava već bi se moglo reći kako su „unaprijed“ bile opremljene svojstvima koja im koriste u današnjem vremenu.

U jednom od nedavnih tekstova pisala sam o epigenetskoj regulaciji ekspresije gena koja organizmima omogućava fleksibilnost da djeluju u skladu s uvjetima okoliša na način da se genski zapis vremenski i prostorno najbolje ispoljava. I dok su zapisi u molekuli DNA rigidni u smislu očuvanja informacije koju kodiraju, epigenetska regulacija omekšava tu rigidnost u okviru fizioloških granica kako bi se organizmi lakše nosili s promjenama u okolišu. Može li se takva vrsta regulacije u ekstremnim uvjetima okoliša, poput reakcije na periode gladovanja, prenijeti preko spolnih stanica na potomstvo, i to čak na generaciju „unuka“  još je kontroverzno pitanje, no ti bi mehanizmi, ako uistinu postoje, mogli biti korisni i u adaptaciji organizama na ubrzane izmjene parametara okoliša usljed klimatskih promjena. Ovakva „plastičnost“ tj. sposobnost adaptacije na stresore iz okoliša mogla bi biti učinkovitiji način odgovora na klimatske promjene od procesa prirodne selekcije jedinki koja je puno sporiji evolucijski prooces.

Upravo je temperatura jedan od značajnijih epigenetskih čimbenika, pa tako prije spomenute ribe u uvjetima porasta temperature vode i smanjenog udjela kisika također pokazuju i promjene na razini epigenoma. Na sličan način reagiraju i na promjene u salinitetu i kiselosti, parametrima koji su također usko povezani s temperaturom vode. Promjene u termperaturi mora posebno pogađaju koraljne grebene a time i sve ostale organizme u tom habitatu, no dobra je vijest da se u njima ipak aktiviraju epigenetski mehanizmi prilagodbe. Slične promjene uočene su i u epigenomima nekih biljaka kao odgovor na porast temperature okoliša. Svjedoci smo izmjenama perioda suša i obilnih padalina kakvih u prošlosti nije bilo i biljke se takvom novom režimu moraju prilagoditi. No ove prilagodbe ipak imaju svoje limite. Analizama na razini genoma otvaraju se nove mogućnosti za identifikaciju gena koji su u ove procese uključeni.

Još jedan od inovativnih smjerova u postizanju boljih uroda uz što manju uporabu pesticida i umjetnih gnojiva a u kontekstu klimatskih promjena jest interakcija biljaka i mikroorganizma tla. Sve do danas su komercijalne kulture bile selekcionirane na temelju ‘nadzemnih’ svojstava tj. kvalitete i otpornosti korpusa biljke, no danas se najnovija istraživanja okreću otpornosti biljaka koja proizlazi iz svojstava njihovog korijena. A ta svojstva dijelom ovise o interakcijama s mikroorganizmima u tlu, od čega je najpoznatiji primjer fiksacije dušika (preoblikovanje dušika iz okoliša u oblik koji biljke mogu koristiti). Kada bi se povećala učinkovitost ovih procesa, smanjila bi se potreba za umjetnim gnojivima a također i njihovo ispiranje koje utječe na ‘cvjetanje’ algi u moru.

Iako se klimatske promjene u našem vremenu događaju tempom koji je bez presedana,  u povijesti našeg planeta već je bilo situacija u kojima je dolazilo do promjena uvjeta okoliša koji su zahtijevali masovniji odgovor organizama. Takve promjene vidljive su i u njihovim genomima i na temelju genomskih istraživanja danas se zna da postoje tri osnovna načina kako se organizmi brane od takvih promjena: migracija, aklimatizacija i adaptacija. Migracija je fenomen koji se naravno uočava u životinjskom svijetu te se na temelju analiza genoma vrsta koje su migrirale kako su se mijenjali uvjeti u njihovom okolišu može očitati njihova putanja u periodu nakon zadnjeg ledenog doba (prije 12500 godina) te u tzv. Malom ledenom dobu (sredni vijek do 1800-tih)  te su ovakve analize i napravljene za lisice u sjevernoj Europi.

Biljke i dio životinjskih vrsta ipak ne migrira već se aklimatizira i adaptira. Pod pojmom aklimatizacije podrazumijevaju se većinom epigenetske promjene, dok pojam adaptacije uključuje epigenetske promjene ali i promjene na razini samog genoma. Smatra se da smo danas u periodu klimatskih promjena kada još ne možemo vidjeti promjene na razini genoma vrsta odnosno procese adaptacije, te da se sve promjene koje viđamo u vrsta usljed promjena u klimi mogu svrstati u aklimatizacijske promjene. Zasada nema čvrstih dokaza da se genom organizama mijenja usljed klimatskih promjena u kojima živimo tako da je pitanje hoće li epigenetske promjene kojima se organizam „ovdje i sad“ prilagođava trenutačnim uvjetima okoliša prerasti u trajne promjene na razini genoma. Ako bi to uistinu bilo moguće za mnoge organizme tada bi nam se budućnost mogla činiti manje alarmantnom, no nažalost ne možemo to unaprijed znati bez ekstenzivnih istraživanja ovih fenomena. Tko preživi, pričat će, ako ništa barem svojim genomom.

Literatura:

R.S. Brennan i sur. Experimental evolution reveals the synergistic genomic mechanisms of adaptation to ocean warming and acidification in a marine copepod. PNAS, 119:e2201521119, 2022.

H.G. Dam i sur. Rapid, but limited, zooplankton adaptation to simultaneous warming and acidification. Nat. Clim. Chang. 11, 780–786, 2021

R.R. Germain i sur.Changes in the functional diversity of modern bird species over the last million years. PNAS, 120 (7) e2201945119, 2023