Ecologie și filogenie moleculară

Progresele în domeniul genomicii au permis cercetătorilor să abordeze aspecte complexe la nivel

de sistem. Noile tehnologii în genomică au oferit de asemeni oportunitatea de a găsi un răspuns la

întrebările dificile din biologia mediului.

Ecogenomica presupune aplicarea tehnicilor moleculare în ecologie si știința mediului; definește

biodiversitatea la nivelul ADN și utilizează aceste informații în vederea cuantificării funcțiilor și

interacțiunilor organismelor la nivel de ecosistem, în corelație cu procesele ecologice și de evoluție.

În ultimii 20 de ani, biologia moleculară a revoluționat cercetarea ecologică. În această

perioadă, metodele de caracterizare genetică a indivizilor, populațiilor și speciilor au devenit

aproape o rutină, furnizând numeroase informații noi despre ecologia și evoluția plantelor,

animalelor, fungilor, algelor și bacteriilor. Markerii moleculari permit, printre altele, cuantificarea

diversității genetice, monitorizarea deplasării indivizilor, aprecierea gradului de consangvinizare,

identificarea rămășițelor indivizilor, caracterizarea unor noi specii și retrasarea modelului istoric de

dispersie. Aceste aplicații au o importantă valoare academică și sunt frecvent utilizate în elucidarea

unor aspecte de ecologie practică, de exemplu, care din populațiile periclitate sunt mai expuse

riscului consangvinizării, sau stabilirea gradului de hibridizare intre culturile modificate genetic și

rudele lor sălbatice. Obținerea informațiilor de genetică moleculară devine din ce în ce mai facilă și

mai eficientă din punct de vedere al costurilor permițând laboratoarelor din întreaga lume să

determine de exemplu sursa geografică a speciilor invazive, pe baza unui număr mic de probe, sau

monitorizarea populațiilor rare, ca jaguarii sau urșii, cu ajutorul probelor de păr sau fecale.

În cursurile următore vom studia în detaliu multiplele aplicații ale ecologiei moleculare, dar

înainte de a ajunge la această etapă trebuie să înțelegem de ce markerii moleculari constituie o

sursă de informații atât de importantă. Cel mai simplu răspuns la această întrebare este acela că

markerii moleculari generează date pe baza moleculelor de acid deoxiribonucleic (ADN) de o

variabilitate infinită, găsite în majoritatea organismelor vii. Nivelele extrem de ridicate de

variabilitate genetică ce caracterizează majoritatea speciilor, împreună cu o parte din metodele

care permit descifrarea informațiilor stocate la nivelul moleculei de ADN, fac obiectul acestei

prime lecții. Vom începe cu o privire retrospectivă asupra modului în care caracterizarea

proteinelor populațiilor de Drosophila a schimbat modul de înțelegere al ecologiei și evoluției.

1.1. Dezvoltarea ecologiei moleculare

Ecologia este o ramură a biologiei implicată în esență în studiul modului în care organismele

interacționează între ele și cu mediul lor. În trecut, aceste interacțiuni erau studiate prin

intermediul observațiilor pe teren și cu ajutorul manipulărilor experimentale. Acestea furnizau

date fenotipice bazate pe unul sau mai multe aspecte de morfologie, fiziologie, biochimie sau

comportament ale unui organism. Aceste studii de ecologie clasică au contribuit la o îmbogățire

a cunoștințelor asupra multor specii și au adus contribuții însemnate la înțelegerea proceselor

implicate în stabilitatea ecosistemelor.

În același timp, folosite separat, informațiile fenotipice au anumite limitări. Am putea

suspecta de exemplu că o populație de fluturi suferă o diversitate genetică redusă ce poate

duce la o susceptibilitate crescută la dăunătorii sau patogeni. Dacă dispunem doar de date

fenotipice putem încerca să deducem diversitatea genetică prin intermediul unor caractere

morfologice variabile cum ar fi forma aripii, adică populațiile diferite morfologic vor fi și diferite

genetic. Putem de asemeni utiliza ceea ce presupune a fi un model al aripii, cu specificitate

populațională, pentru a urmări deplasările indivizilor care pot fi importante, deoarece imigranții

pot aduce noi gene ca urmare putând crește diversitatea genetică a populației. Aceste aspecte,

pot constitui o potențială problemă când sunt utilizate date fenotipice în identificarea variațiilor

genetice ale populațiilor și originii indivizilor: deși unele caractere morfologice se află sub un

control genetic strict, influența condițiilor de mediu presupune că nu există o relație cauză –

efect între genotipul unui organism (set de gene) și fenotipul său. De exemplu modelul aripii la

fluturii africani din genul Bicyclus va varia în funcție de cantitatea precipitațiilor din perioada

dezvoltării larvare; ca rezultat același genotip poate determina atât apariția formelor

caracteristice sezonului umed cât și a formelor caracteristice sezonului uscat (Roskam și

Brakefield, 1999).

Potențialul dezvoltării mai multor fenotipuri alternative din același genotip în diferite

condiții de mediu poartă numele de plasticitate fenotipică. Un exemplu spectaculos de

plasticitate fenotipică este dat de omida stejarului Nemoria arizonaria care trăiește in sud‐vestul

SUA și se hrănește pe câteva specii de stejar din genul Quercus. Morfologia omizilor variază în

funcție de organul vegetativ cu care se hrănesc. Omizile care se hrănesc cu inflorescențe se

camuflează prin imitarea acestora, în timp ce omizile care se hrănesc cu frunze vor avea

aspect de rămurele. Experimentele au arătat că dieta este singurul factor care declanșează

modificarea morfologică (Greene, 1996). Diferența morfologică între imitarea ramurilor și a

inflorescențelor este atât de accentuată încât mulți ani s‐au considerat a fi două specii

diferite.