Een nieuwe studie geeft een beter beeld van de verweven evolutionaire geschiedenis van ijsberen en bruine beren.

Het worden van afzonderlijke soorten weerhield deze dieren er niet volledig van om met elkaar te paren. Wetenschappers weten dit al een tijdje, maar het nieuwe onderzoek maakt gebruik van een uitgebreide dataset - inclusief DNA van een oude ijsbeertand - om meer details te achterhalen.

Het verhaal dat naar voren komt onthult complexiteiten die vergelijkbaar zijn met die welke de menselijke evolutionaire geschiedenis bemoeilijken.

"De vorming en het onderhoud van soorten kan een rommelig proces zijn", zegt Charlotte Lindqvist, Ph.D., universitair hoofddocent biologische wetenschappen aan de universiteit van Buffalo College of Arts and Sciences, en een expert op het gebied van berengenetica. "Wat er is gebeurd met ijsberen en bruine beren is een mooie analogie met wat we leren over de menselijke evolutie:dat de splitsing van soorten onvolledig kan zijn. Naarmate er meer en meer oude genomen zijn hersteld van oude menselijke populaties, waaronder Neanderthalers en Denisovans , we zien dat er genetische vermenging in meerdere richtingen gaande was toen verschillende groepen archaïsche mensen paren met voorouders van moderne mensen. IJsberen en bruine beren zijn een ander systeem waarin je dit ziet gebeuren. "

"We vinden bewijs voor kruisingen tussen ijsberen en bruine beren die ouder zijn dan een oude ijsbeer die we hebben bestudeerd", zegt ze. "En bovendien tonen onze resultaten een gecompliceerde, met elkaar verweven evolutionaire geschiedenis aan tussen bruine en ijsberen, waarbij de hoofdrichting van de genenstroom naar ijsberen gaat van bruine beren. Dit keert een hypothese om die door andere onderzoekers werd gesuggereerd dat de genstroom unidirectioneel en in bruine beren gaan rond het hoogtepunt van de laatste ijstijd."

Het onderzoek wordt in de week van 6 juni gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences . Het werd geleid door Lindqvist van de UB in de VS; Luis Herrera-Estrella van het National Laboratory of Genomics for Biodiversity (LANGEBIO) in Mexico en de Texas Tech University in de VS; en Kalle Leppälä aan de Universiteit van Oulu in Finland. Tianying Lan, Ph.D., een voormalig UB-postdoctoraal onderzoeker nu bij Daicel Arbor Biosciences, was co-eerste auteur met Leppälä.

Het concept van aan het Noordpoolgebied aangepaste ijsberen die genetisch materiaal van bruine beren vangen, die zijn aangepast aan het leven op lagere breedtegraden, is een van de vele bevindingen die mogelijk interessant zijn voor wetenschappers die zich bezighouden met de gevolgen van klimaatverandering voor bedreigde soorten.

Naarmate de wereld warmer wordt en het Arctische zee-ijs afneemt, kunnen ijsberen en bruine beren elkaar vaker tegenkomen op plaatsen waar hun verspreidingsgebieden elkaar overlappen. Dit maakt hun gedeelde evolutionaire geschiedenis een bijzonder intrigerend onderwerp van studie, zegt Lindqvist.

Het splitsen van soorten kan een rommelig proces zijn

Zoals Lindqvist uitlegt, dachten wetenschappers ooit dat moderne mensen en Neanderthalers zich eenvoudigweg in afzonderlijke soorten splitsten nadat ze waren geëvolueerd van een gemeenschappelijke voorouder. Vervolgens vonden onderzoekers Neanderthaler-DNA bij moderne Euraziatische mensen, wat impliceert dat moderne menselijke populaties op een bepaald moment in hun gedeelde evolutionaire geschiedenis een instroom van genen van Neanderthalers ontvingen, zegt ze.

Pas later realiseerden wetenschappers zich dat deze genetische vermenging ook de Neanderthaler-populaties aanvulde met moderne menselijke genen, voegt Lindqvist toe. Met andere woorden, kruisen kan complex zijn, niet per se eenrichtingsverkeer, zegt ze.

De nieuwe studie over beren onthult een opmerkelijk vergelijkbaar verhaal:de analyse vindt bewijs van hybridisatie in het genoom van zowel ijsberen als bruine beren, waarbij met name ijsberen een sterke handtekening dragen van een instroom van DNA van bruine beren, zeggen onderzoekers. Eerder onderzoek stelde alleen het omgekeerde patroon voor, zegt Lindqvist.

"Het is opwindend hoe DNA kan helpen bij het onthullen van oude levensgeschiedenis. De richting van de genenstroom is moeilijker te bepalen dan alleen de aanwezigheid ervan, maar deze patronen zijn van vitaal belang om te begrijpen hoe eerdere aanpassingen tussen soorten zijn overgedragen om moderne dieren hun huidige kenmerken te geven", zegt Leppälä, Ph.D., postdoctoraal onderzoeker in de onderzoekseenheid wiskundige wetenschappen aan de Universiteit van Oulu.

"Bevolkingsgenomica is een steeds krachtigere toolbox om de evolutie van planten en dieren en de effecten van menselijke activiteit en klimaatverandering op bedreigde soorten te bestuderen", zegt Herrera-Estrella, Ph.D., President's Distinguished Professor of Plant Genomics en directeur van het Institute of Genomics voor gewas Abiotische stresstolerantie in de Texas Tech Department of Plant and Soil Science. Hij is ook emeritus hoogleraar bij LANGEBIO. "Beren bieden net zo min eenvoudige soortvormingsverhalen als de menselijke evolutie heeft gedaan. Dit nieuwe genomische onderzoek suggereert dat groepen zoogdiersoorten gecompliceerde evolutionaire geschiedenissen kunnen verbergen."

Bewijs van moderne berengenomen en DNA van een oude tand

De studie analyseerde de genomen van 64 moderne ijsberen en bruine beren, waaronder verschillende nieuwe genomen uit Alaska, een staat waar beide soorten voorkomen.

Het team produceerde ook een nieuw, completer genoom voor een ijsbeer die 115.000 tot 130.000 jaar geleden leefde in de Noorse Svalbard-archipel. DNA voor de oude ijsbeer werd geëxtraheerd uit een tand die was bevestigd aan een subfossiel kaakbot, dat nu is gehuisvest in het Natural History Museum aan de Universiteit van Oslo.

Met behulp van deze dataset schatten onderzoekers dat ijsberen en bruine beren ongeveer 1,3 tot 1,6 miljoen jaar geleden verschillende soorten begonnen te worden, waarbij eerdere beoordelingen van enkele van dezelfde wetenschappers werden bijgewerkt. De leeftijd van de splitsing was en blijft een onderwerp van wetenschappelijk debat, met eerdere kruisingen en beperkt fossiel bewijs voor oude ijsberen als factoren die de timing moeilijk te bepalen maken, zegt Lindqvist.

In ieder geval:nadat ze hun eigen soort waren geworden, ondergingen ijsberen een dramatische afname van de populatie en een langdurig genetisch knelpunt, waardoor deze beren met veel minder genetische diversiteit achterbleven dan bruine beren, concludeert de nieuwe studie. De bevindingen bevestigen eerder onderzoek dat op dezelfde trends wijst en voegen bewijs toe ter ondersteuning van deze hypothese.

Samen met de analyse van de genenstroom leveren deze bevindingen nieuwe inzichten op in de rommelige, met elkaar verweven evolutionaire geschiedenis van ijsberen en bruine beren.

Het internationale onderzoeksteam bestond uit wetenschappers van UB, LANGEBIO, Texas Tech, de Universiteit van Oulu, het Far Northwestern Institute of Art and Science, het Alaska Department of Fish and Game, het Natural History Museum van de University of Oslo, Nanyang Technological University, Universiteit van Helsinki en de Universiteit van Aarhus.