Ända sedan Darwin skrev sin bok ”Om arternas uppkomst” för drygt 150 år sedan har frågan hur arter bildas varit central inom biologin. Hans Ellegren och hans kollegor har kommit några steg närmare svaret. I storskaliga studier av mutationer i flugsnapparens och kråkans genetiska kod hoppas de hitta fler ledtrådar.
Projektanslag 2014
The genomics of species diversification
Huvudsökande:
Professor Hans Ellegren
Lärosäte:
Uppsala universitet
Medsökande:
Mattias Jakobsson
Anna Qvarnström
Jochen Wolf
Beviljat anslag:
42 miljoner kronor under fem år
Nyfikenhet och intresse för fåglar är den stora drivkraften i forskningen som Hans Ellegren, professor i evolutionsbiologi, leder vid Uppsala universitet. Men i ett större perspektiv har forskningen även en existentiell betydelse, konstaterar han.
– Vi är nördar som är intresserade av de generella biologiska principerna och vi sysslar med ren grundforskning här. Samtidigt har förståelsen för hur olika livsformer uppkommer också med vår egen existens att göra. Om människan ska kunna överleva och producera mat på jorden så krävs bättre kunskap om biologisk mångfald.
Hans Ellegren och hans forskargrupp var först i världen med att kartlägga arvsmassan hos en vild fågelart, halsbandsflugsnapparen. Den genetiska koden visade sig bestå av en dryg miljard DNA-byggstenar och lästes av med den allra senaste tekniken, så kallad next-generation sequencing teknologi.
– Då tänkte vi att nu kan vi försöka förstå vilka gener eller regioner i den här långa bokstavskoden som står för olika karaktärsdrag hos flugsnapparen. Men det visade sig vara svårare än vi trodde. Det är inte så enkelt att en enda gen ligger bakom en egenskap, det är mycket mer komplext.
Tänker i nya banor
Så istället för att försöka hitta de gener som skiljer individer åt har forskarna kommit in mer och mer på studier av hur olika arter bildas. Det är en mycket het fråga i forskarvärlden. Hans Ellegren, som blev Wallenberg Scholar 2009, och hans tre medsökande kollegor kan tack vare ett femårigt anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse utforska nya intressanta spår.
– Vi vill förstå processerna när en arvsmassa, eller genom som vi säger, delar på sig och en art ska bildas. Vad är det som gör att det efterhand blir olikheter i de här genomen och att individerna till slut inte kan para sig.
Hans Ellegrens forskargrupp har jämfört genomet hos ett tiotal svartvita flugsnappare och lika många halsbandsflugsnappare, resultaten publicerades 2012 i tidskriften Nature. De här två arterna lever tillsammans på Öland och Gotland, där de ibland hybridiserar, parar sig med varandra. I sina analyser av kedjan av byggstenar i genomen fann forskarna att det är skilda strukturer i kromosomerna snarare än skilda anpassningar i enskilda gener som ligger bakom de två arternas separation.
Forskargruppen har nu gått vidare och jämför fyra olika arter av flugsnappare, de två i Sverige, en i Nordvästafrika och en i sydöstra Europa.
– Hittills har vi hunnit avläsa genomet i blodprov från ungefär 400 fåglar. Materialet använder vi för att ta reda på varför nya arter uppkommer. Beror skillnaderna på mutationerna i arvsmassan, eller är det någon annan anledning och så uppstår mutationer efteråt?
Tålamodskrävande analyser
I rummen intill Hans Ellegrens kontor sitter forskare framför sina datorer där de tålmodigt och noggrant analyserar resultaten från de blodprov som har sekvenserats. De försöker till exempel se hur många nya mutationer som uppstår under den långa processen då arterna bildas.
– Det är som att leta efter en nål i en höstack. Så här utgår vi från ett familjematerial från 11 flugsnappare där den genetiska koden gås igenom punkt för punkt. För att kunna göra den här typen av analyser krävs en helt ny sorts biologer, som både förstår de biologiska frågeställningarna och är duktiga bioinformatiker.
Genetiska data används också för att förstå fåglarnas demografi, det går att räkna bakåt hur de fyra arterna har varierat i antal och geografiskt. Hans Ellegren pekar på en graf i sin dator.
– Här kan man se hur alla linjer går ihop. De var först en art innan de efter 1-2 miljoner år började sära på sig. Vi kan också se hur de delar på sig rent antalsmässigt. Den här informationen är jätteviktig för oss eftersom skillnaderna i arvsmassan även kan uppstå beroende av demografin. Vi måste få hela bilden.
Två modellsystem
Att just flugsnapparens genom nagelfars beror på att flera generationer Uppsalaforskare har studerat den här lilla svartvita fågeln på olika sätt och att det finns mycket data, vilket gör det praktiskt att använda den som modellsystem, förklarar Hans Ellegren.
Även kråkor studeras i projektet. Jochen Wolf, docent i evolutionsbiologi, leder en forskargrupp som har kartlagt den genetiska koden hos 60 gråa och svarta kråkor från olika delar av Europa. Resultaten publicerades 2014 i den vetenskapliga tidskriften Science.
I projektet ingår även två forskargrupper som leds av Anna Qvarnström, professor i ekologi, respektive Mattias Jakobsson, professor i genetik och Wallenberg Academy Fellow.
– Att vi kan göra den här typen av storskaliga kartläggningar bygger på att det finns en stark forskningsmiljö och långsiktiga anslag. Miljön runt Evolutionsbiologiskt centrum här i Uppsala har blivit ett av de mest framgångsrika i världen vilket lockar hit unga duktiga forskare, säger Hans Ellegren.
Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström
