Dokąd zmierzają hybrydy?

Sikory – te prześliczne istoty tak chętnie odwiedzające karmniki – należą do najlepiej znanych i najbardziej lubianych ptaków przylatujących do ogrodów przydomowych w Ameryce Północnej. Potrafią z daleka dostrzec drapieżnika i narobić takiego rabanu, że inne ptaki często polegają na ich ostrzeżeniach, i są tak odważne, że nie boją się zjadać ziarenek z ludzkiej dłoni.

Niektóre z tych cech sikor, które czynią je tak atrakcyjnymi dla ogrodowych podglądaczy – ich wszechobecność, śmiałość, łatwość obserwacji zwyczajów – sprawiły, że stały się one również idealnymi obiektami do badań ornitologicznych. A tam, gdzie zasięgi dwóch najlepiej znanych sikor północnoamerykańskich zachodzą na siebie, ptaki stworzyły zadziwiający naturalny eksperyment pokazujący, jak przesuwają się, a nawet zamazują, granice pomiędzy gatunkami.

W kilku ostatnich dekadach mała grupa naukowców bacznie przyglądała się eksperymentowi z udziałem dwóch gatunków sikor: jasnoskrzydłej (Poecile atricapillus) i karolińskiej (Poecile carolinensis). Badania pokazały, w jaki sposób działalność człowieka zaburzyła relacje pomiędzy dwoma gatunkami. Ich interakcje ewoluowały w ostatnich dekadach pod presją zmian klimatycznych oraz z powodu przeobrażania naturalnych siedlisk. Badania ujawniły też, dlaczego pojawiające się w wyniku tych procesów hybrydy – wyposażone w geny, które były odseparowane od siebie najpewniej od milionów lat, a teraz niespodziewanie ulegają rekombinacji – nie zawsze odnoszą sukces.

Hybrydyzacja to nie tylko negatywy. Czasami jest to lepszy sposób na zaadaptowanie się do szybko zachodzących zmian aniżeli dobór naturalny, który jest bardziej czasochłonny. Zamiast niego populacje mogą pożyczyć gotowe genetyczne rozwiązania od sąsiadów obdarzonych pożądanymi cechami. Pospolita sikorka może zatem pomóc naukowcom w wyjaśnieniu, w jaki sposób te nowe mieszańce poradzą sobie w szybko zmieniającym się świecie.

Sikora jasnoskrzydła i sikora karolińska są trudne do odróżnienia nawet dla wprawnych obserwatorów ptaków. Obie należą do rodzaju Poecile, mają niemal identyczne czarne czapeczki i brody, białe policzki oraz szaro-żółtawe ciała. Obie uwielbiają karmniki pełne pysznego ziarna, a w swoim repertuarze mają podobnie brzmiące, natarczywe zawołania w stylu: „chick-a-dee-dee!”

Jednakże doświadczony obserwator przeważnie jest w stanie odróżnić jeden gatunek o drugiego. Przede wszystkim dzięki ich pieśniom, które różnią się od siebie – sikory jasnoskrzydłe wygwizdują melodie składające się z dwóch lub trzech nut, natomiast sikory karolińskie preferują czteronutową melodię. Jednak najprostszy sposób na przekonanie się, na którego ptaka właśnie teraz patrzysz, to zerknięcie na mapę. Sikory karolińskie zamieszkują wschodnią i południowo-wschodnią część USA, natomiast zasięg sikory jasnoskrzydłej obejmuje większość pozostałego obszaru Ameryki Północnej. Wypierają swoje sąsiadki z północno-wschodniej części USA, z Kanady i częściowo z zachodu.

Sprawy stają się mniej wyraziste tam, gdzie zasięgi obu gatunków nakładają się na siebie – na Środkowym Zachodzie, w Ohio, Pensylwanii i New Jersey. Ornitolodzy prowadzący badania na tych terenach już w latach 40. od czasu do czasu obserwowali pary tworzone przez przedstawicieli obu gatunków, zakładające gniazda i wychowujące młode. Z czasem stało się jasne, że spotkania obu sikor nie polegają wyłącznie na przelatywaniu obok siebie, lecz że ptaki te dzielą wspólną „strefę hybrydową”, w której regularnie krzyżują się ze sobą i płodzą potomstwo z genami pochodzącymi od obu gatunków.

Wielu z nas pamięta pewnie z lekcji biologii w szkole średniej, że gatunek to grupa organizmów, które rozmnażają się i mają płodne dzieci. Taki jest biologiczny koncept „gatunku”, jednej z wielu definicji tego terminu. Chociaż biolodzy mają problemy z uzgodnieniem, czym właściwie jest gatunek, za jego główną cechę zazwyczaj uważają to, że jest on odizolowany reprodukcyjnie od innego gatunku. Coś powstrzymuje zwierzęta od łączenia się w pary – mogą to być różnice w zachowaniu albo na przykład bariera geograficzna.

Okazuje się jednak, że hybrydy dwóch gatunków są w przyrodzie zaskakująco częste. Część z nich, na przykład muły – krzyżówki konia i osła – nie mogą mieć potomstwa. Te bezpłodne hybrydy są ewolucyjnymi ślepymi drogami. Ale inne pary dwugatunkowe potrafią płodzić dzieci, które również mają dzieci; w ten sposób poprzez przekazywanie takich pomieszanych genomów kolejnym generacjom, zamazują się linie graniczne pomiędzy gatunkami. Na przykład jeden z odległych rejonów Arktyki jest zamieszkiwany przez populację niedźwiedzi brunatnych będącą – wszystko na to wskazuje – potomstwem mieszańców, które odziedziczyły geny niedźwiedzia polarnego i brunatnego.

Hybrydyzacja jest szczególnie popularna u ptaków. Badania wskazują, że 16% wszystkich ptaków okazjonalnie krzyżuje się z innymi dziko żyjącymi gatunkami; kaczki są pod tym względem szczególnie aktywne, a rekord należy do znanej nam dobrze krzyżówki. Wiadomo o ponad 40 gatunkach kaczek, z którymi odbywała ona gody. Często poprowadzenie linii granicznej pomiędzy gatunkami jest kwestią umowną. Niektóre blisko spokrewnione grupy ptaków wielokrotnie rozdzielano i łączono ze sobą w ciągu ostatniego stulecia na podstawie decyzji podejmowanych przez komisje ornitologów głosujących nad propozycjami swoich kolegów po fachu.

Hybrydyzację często obserwuje się pomiędzy gatunkami mającymi wspólnego przodka i sąsiadującymi ze sobą blisko na drzewie rodowym. Nie jest to jednak przypadek sikor karolińskich i jasnoskrzydłych. Badania genetyczne wskazują, że prawdziwą „siostrą” sikory jasnoskrzydłej jest sikora górska (Poecile gambeli) żyjąca w zachodniej części Ameryki Północnej. Ale po milionach lat oddzielnej ewolucji sikory karolińskie i jasnoskrzydłe zbliżyły się do siebie geograficznie po ustąpieniu lądolodu plejstoceńskiego, a następnie zaczęły mieszać się ze sobą w strefie hybrydowej.

W latach 90. ornitolodzy, bazując na kolejnych relacjach obserwatorów ptaków, zaczęli uświadamiać sobie, że coś bardzo dziwnego zaczyna się dziać z tymi dwoma gatunkami. Miejsca zamieszkałe wcześniej tylko przez sikory jasnoskrzydłe teraz stawały się domem również dla sikor karolińskich. Strefa hybrydowa zaczęła się przesuwać.

Mniej więcej w tym właśnie czasie Robert Curry, ornitolog i ekolog behawioralny z Villanova University, rozpoczął wieloletnie badania nad hybrydowymi sikorami. We wschodniej Pensylwanii założył trzy terenowe punkty obserwacyjne w prywatnych i stanowych rezerwatach przyrody zlokalizowane na linii północ-południe: południowy punkt zamieszkiwały sikory karolińskie, środkowy pełen był hybryd, a w północnym dominowały sikory jasnoskrzydłe. W każdym z tych miejsc Curry z pomocą studentów rozmieścił około 500 „gniazd rurowych” – domków dla ptaków w kształcie pionowego walca, który można umieścić w większej ilości miejsc aniżeli tradycyjny domek dla ptaków. W kolejnych latach badania odbywały się według przewidywalnego rytmu rocznego: w lutym oczyszczano domki, aby przygotować je na kolejny sezon lęgowy, od kwietnia do czerwca monitorowano budowanie gniazd i składanie jaj przez ptaki, a na koniec chwytano dorosłe osobniki z każdego gniazda, aby je oznaczyć i pobrać próbki krwi.

W 2007 roku Curry i Matthew Reudink, wówczas student w Villanova, opublikowali artykuł naukowy, w którym opisali przesunięcie się strefy hybrydowej na północ w ciągu ponad dekady. Do tego czasu Curry zgromadził duże ilości próbek krwi ptaków, a także uzyskał dostęp do próbek tkanek pobranych przez innych badaczy. On, Reudink i ich współpracownicy przeprowadzili analizy genetyczne, aby zweryfikować skład populacji sikor (jasnoskrzydłe, karolińskie, hybrydowe) na każdym z miejsc i zobaczyć, jak ta proporcja zmieniała się z czasem. (Ponieważ udział hybryd zwiększał się w północnym punkcie, Curry w pewnym momencie dodał jeszcze jedną lokalizację jeszcze bardziej wysuniętą na północ.) Analizy badaczy potwierdziły to, co już wcześniej obserwowali ptasiarze: w ciągu półtorej dekady północna granica strefy hybrydowej przesunęła się 20 km na północ. Dlaczego?

Po opublikowaniu tych badań Curry były często pytany, czy przesuwanie się strefy hybrydowej, które stwierdził wraz ze współpracownikami, może mieć związek ze zmianą klimatu. „Zawsze odpowiadałem, że to niewykluczone, ale nie wiem, jak można to zbadać” – mówi Curry. Rozwiązanie znaleziono dzięki współpracy z naukowcami z Cornell University. Scott Taylor, wówczas na stażu postdoktorskim w Cornell, był głównym autorem analizy przeprowadzonej na podstawie danych z eBird – online’owej platformy, gdzie amatorscy obserwatorzy ptaków zamieszczają swoje raporty. Badanie wykazało, że północny zasięg sikor karolińskich niemal idealnie zbiega się ze średnią temperaturą zimy wynoszącą -7°C, a tempo przesuwania się tego zasięgu w kierunku północnym wynika z ocieplania się zim. Wygląda więc na to, że strefa hybrydowa reaguje w ten sposób na zmiany klimatyczne.

Zmiana klimatu tylko w połowie tłumaczy przesuwanie się strefy hybrydowej. Owszem, to dzięki niej sikory karolińskie mogły stopniowo rozszerzać swój zasięg w kierunku północnym, ale fakt ten nie wyjaśnia, dlaczego, kiedy ten gatunek pojawił się na owym terenie, samiczki sikor jasnoskrzydłych od czasu do czasu wolały wybierać samce sikor karolińskich, a nie własnego gatunku.

Z pewnością nie ma mowy o pomyłce samiczek. Chociaż ludzie mogą mieć kłopoty z odróżnieniem obu gatunków, ptaki raczej wiedzą, kto jest kto. Fascynujące eksperymenty wykazały, że rozpoznają one bezbłędnie przedstawicieli własnego gatunku na podstawie wydzielanych przez nich zapachów. Tyle że samiczki sikory karolińskiej zdecydowanie preferują woń samców tego samego gatunku, natomiast samiczki sikory jasnoskrzydłej nie są już takie wybredne.

Nie sposób ustalić, co dzieje się w głowie samiczki sikory jasnoskrzydłej, gdy jako partnera seksualnego wybiera ona samca sikory karolińskiej. Curry podejrzewa, że może to być kwestia dominacji społecznej. Samce sikor karolińskich mogą się wydać atrakcyjniejsze samiczkom sikor jasnoskrzydłych, ponieważ czasami zajmują dominującą pozycję w stadzie. Jednak jest to trudna do zweryfikowania hipoteza. Łatwiej jest zbadać to, co dzieje się potem. Kiedy dochodzi do wymieszania genów dwóch gatunków odseparowanych od siebie w ciągu milionów lat ewolucji, jakie pisklęta wyklują się z hybrydowych jaj?

Przed wszystkim nie z każdego takiego jajka wykluje się pisklę. Izolacja reprodukcyjna pomiędzy gatunkami – siła, która je odseparowuje od siebie – działa na wielu poziomach. Zacznijmy od tego, że osobniki należące do obu gatunków mogą nie chcieć łączyć się w pary; to izolacja przedkopulacyjna, która najwyraźniej nie zawsze działa w przypadku obu analizowanych gatunków sikor. Jeśli jednak osobniki reprezentujące różne gatunki odbędą wspólny akt płciowy, to izolacja reprodukcyjna wciąż może uniemożliwić ich potomstwu przeżycie, rozwój lub też posiadanie własnych dzieci.

Dość szybko po rozpoczęciu zbierania danych Curry zwrócił uwagę, że coś złego dzieje się w tym rejonie, gdzie liczba dwugatunkowych par była największa. „W wielu gniazdach pisklęta wykluwały się tylko z nielicznych jaj” – mówi. Czasami w gnieździe było tylko jedno zdrowe pisklę, choć samiczka złożyła osiem jaj.

Curry i pomagający mu student zaczęli sprawdzać gniazdo po gnieździe, jak to wygląda w całej strefie hybrydowej. W podsumowującym to śledztwo artykule opublikowanym w 2022 roku informowali, że wraz z przesuwaniem się strefy hybrydowej na północ wskaźniki wyklucia spadają. Wkrótce po tym, jak sikory karolińskie zjawiły się na terenach zamieszkanych przez sikory jasnoskrzydłe, w gniazdach zmniejszał się odsetek jaj, z których wykluwały się młode ptaki; jednakże tam, gdzie sikory karolińskie stawały się dominującym gatunkiem, a par mieszanych ubywało, odsetek wykluć szybko się zwiększał.

Na te hybrydowe osobniki, które wykluły się z jaj, czekały kolejne problemy generowane przez ich przemieszane genomy. Badania prowadzone w Ohio w strefie zamieszkałej przez oba gatunki sikor wykazały, że procesy metaboliczne u hybryd zachodziły mniej wydajnie niż u ich rodziców – nawet wtedy gdy taki mieszaniec nic nie robił, tylko gdy siedział, zużywał o wiele więcej energii na podtrzymanie podstawowych funkcji organizmu.

Hybrydy okazały się także, mówiąc bez ogródek, odrobinę nierozgarnięte. Sikory generalnie słyną z wysokiej inteligencji. Przygotowując się do zimy, ukrywają dziesiątki tysięcy ziaren, które później wydobywają i zjadają. Muszą jednak pamiętać, gdzie schowały pokarm. Aby mogły podołać temu zadaniu, ich hipokampy – ten region mózgu odpowiada za pamięć przestrzenną – powiększają się o nowe neurony. Niektóre badania wskazują, że hipokampy sikor „puchną” jesienią, aby mogły przechować informacje konieczne do przetrwania zimy przez ptaki.

Badania umiejętności poznawczych sikor jasnoskrzydłych wykazały, że ich umiejętność orientacji w terenie jest skorelowana ze środowiskiem, w którym żyją. Osobniki żyjące na obszarach, gdzie zimy są najbardziej surowe, są obdarzone najlepszą pamięcią. Bazując na tym odkryciu, Amber Rice z Lehigh University sformułowała hipotezę, że sikory jasnoskrzydłe wypadną najlepiej w testach uczenia się i zapamiętywania, sikory karolińskie (generalnie preferujące łagodniejszy klimat) wypadną najgorzej, a hybrydy ulokują się gdzieś pomiędzy nimi.

Rice i jej współpracownicy sprawdzili, jak oba gatunki sikor oraz ich hybrydy poradzą sobie z zadaniami, podczas których będą musiały zapamiętać lokalizację ukrytego smakołyku oraz rozwiązać prostą zagadkę. Ku jej zaskoczeniu hybrydy w obu zadaniach wypadły najgorzej. „Byliśmy mocno zdziwieni wynikami testów” – mówi. Zespół Rice zaczął doszukiwać się przyczyny słabych osiągnięć w braku genetycznej kompatybilności. Wszystkie problemy – niewiele udanych wykluć, mało wydajny metabolizm, kiepskie zdolności poznawcze – mogły wynikać z tego, że niektóre odcinki genomów sikor karolińskich i jasnoskrzydłych nie pasowały do siebie. Prawdopodobnie nikt nie spędził tyle czasu na zastanawianiu się nad skutkami przemieszania genów dwóch gatunków sikor, ile Scott Taylor, który podczas stażu podoktorskiego kierował badaniami nad przesuwaniem się strefy hybrydowej w konsekwencji zmian klimatycznych, a obecnie jest pracownikiem naukowym University of Colorado w Boulder. Taylor zainteresował się hybrydami, gdy był dzieckiem. Intrygowało go wtedy, co się stanie, jeśli skrzyżujemy pegaza z jednorożcem i czy w efekcie pojawi się nowy stwór o nazwie „pegarożec”.

Taylor badał, jak w czasie i przestrzeni zmieniają się wzorce genetyczne w strefie hybrydowej sikor. „Szczególnie intrygowały nas te fragmenty genomów, które nie przemieszczają się pomiędzy gatunkami, gdy te się ze sobą krzyżują. One bowiem mogą być szczególnie ważne w podtrzymaniu izolacji reprodukcyjnej” – mówi.

Ta wędrówka pakietów genów w strefie hybrydowej nazywana jest introgresją. Jeśli nie obejmuje ona jakiegoś kawałka genomu, może to wskazywać, że ten konkretny zbiór genów nie miesza się dobrze z genami innego gatunku. Niedawne badania przeprowadzone przez grupę Taylora pomogły we wskazaniu genetycznego podłoża niektórych deficytów obserwowanych u hybryd. Naukowcy stwierdzili, że geny kontrolujące metabolizm oraz umiejętności poznawcze wykazują niski poziom introgresji.

„Dzięki badaniom nad sikorami udało się wyjaśnić jedną z większych zagadek dotyczących ptasich hybryd: w jaki sposób dobór naturalny działa przeciwko nim?” – mówi David Toews z Pennsylvania State University, badacz zjawiska hybrydyzacji wśród dzikich ptaków. „Na podstawie obserwacji z innych miejsc powzięliśmy pewne podejrzenia co do tego, dlaczego hybrydy są takie „niedorobione”. Jednak dopiero cała ta wielka masa danych dotyczących sikor karolińskich i jasnoskrzydłych pozwoliła na zweryfikowanie naszych domysłów”.

Hybrydowe sikory mogą być płodne. W przeciwieństwie do takich słynnych mieszańców jak wspomniane już muły, mogą one krzyżować się z każdym z gatunków, do których należeli rodzice. Ale problemy wynikające z niedostatecznej kompatybilności źle przemieszanych genów sprawiają, że generalnie takie osobniki mają znacznie mniej potomków niż osobniki niehybrydowe. Dobór naturalny działa przeciwko hybrydom, chroniąc oba gatunki przed zlaniem się w jeden w następstwie kolejnych krzyżówek.

Sikory jasnoskrzydłe i karolińskie to dwa spośród siedmiu gatunków sikor z rodzaju Poecile żyjących w Ameryce Północnej. I nie tylko one tworzą hybrydy. Na zachodzie USA sikora jasnoskrzydła krzyżuje się od czasu do czasu ze swoją najbliższą krewniaczką – sikorą górską. Taylor rozpoczął badania nad tymi hybrydami. Nie istnieje tam jednak wyraźna strefa hybrydowa przecinająca krajobraz; hybrydowe osobniki występują sporadycznie na dużym obszarze.

Taylor we współpracy z Kathryn Grabenstein, wówczas magistrantką z jego uczelni, opracował mapę z lokalizacjami hybryd na podstawie raportów z eBrid. (Sikory górskie mają charakterystyczne białe brwi, których nie ma ani sikora karolińska, ani jasnoskrzydła; dzięki temu hybrydę można względnie łatwo zidentyfikować). Rozprzestrzenienie hybryd w terenie było dość nieregularne z kilkoma wyraźnymi skupiskami. Badacze zastanawiali się, dlaczego tak jest.

Ostatecznie Taylor i Grabenstein odkryli silną korelację pomiędzy obecnością hybryd a stopniem przekształcenia środowiska przez ludzi. „Nasza główna ingerencja w tym przypadku polegała na powszechnym sadzeniu gatunków drzew, które były faworyzowane przez sikory jasnoskrzydłe. To przyczyniło się do zwiększenia ich populacji, a w konsekwencji do zwiększenia częstości krzyżowania się obu gatunków” – mówi Taylor. Aby rzecz zbadać jeszcze dokładniej, rozmieścił on ponad 400 domków dla sikor wzdłuż transektu zaczynającego się w Boulder, a kończącego na linii lasów porastających góry sąsiadujące z miastem.

Zmiana klimatu na wschodzie, zaburzenie siedliska na zachodzie – w obu przypadkach aktywność człowieka zmodyfikowała przebieg granic pomiędzy gatunkami. Ten rodzaj ingerencji antropogenicznej będzie w przyszłości narastał. Jaka zatem przyszłość czeka te gatunki, skoro ich genomy będą się nadal ze sobą mieszały? „Często jestem pytany, czy hybrydyzacja jest dobra, czy zła? Odpowiedź brzmi: nie jest ani taka, ani taka. Ocena zawsze zależy od kontekstu” – mówi Taylor.

Dzięki postępom genomiki wiemy, że hybrydyzacja jest zjawiskiem powszechnym – także w naszej historii ewolucyjnej. Neandertalczyków od dawna nie ma na Ziemi, ale niektóre z ich genów wchodzą w skład naszych genomów, ponieważ dawno temu doszło do skrzyżowania się obu gatunków człowieka. Naukowcy powiązali genetyczną spuściznę po neandertalczykach m.in. z płodnością, ryzykiem cukrzycy, a nawet podatnością na COVID. Neandertalczycy mogli nie tyle wymrzeć, ile zostać wchłonięci przez H. sapiens w ramach procesu zwanego genetycznym zatopieniem (genetic swamping) polegającym na tym, że rzadki gatunek znika w wyniku krzyżowania się z gatunkiem liczniejszym.

Hybrydyzacja może mieć też inne konsekwencje. „Jeśli hybrydy są słabsze pod każdym względem od swoich rodziców, to granice pomiędzy gatunkami pozostają ostre. Ale wymieszanie genów może również prowadzić do zatarcia się tych granic, a także do stworzenia przez hybrydy nowego gatunku” – mówi Rice. Specjację hybryd, czyli powstawanie nowych gatunków w wyniku krzyżowania się dotychczasowych, opisano u motyli, ryb, żab i delfinów.

Hybrydyzacja może też pomóc gatunkowi w ekspansji – zauważa Rice. „Tworzy bowiem most, po którym nowe geny mogą wniknąć do innego gatunku, zwiększając jego szansę przetrwania w niektórych środowiskach”. Ponieważ ziemski klimat ociepla się i zmienia, zasięgi coraz większej ilości gatunków będą się przesuwały, potencjalnie zbliżając do siebie bliskich krewniaków na drzewie ewolucji, którzy do tej pory byli od siebie oddaleni. Bez wątpienia jedni na tym zyskają, a inni stracą. Ale w niektórych przypadkach pożyczenie zestawu genów od kuzyna może ułatwić adaptację i uchronić przed wymarciem.

Sikory jasnoskrzydłe, karolińskie i górskie – wszystkie one są uważane przez Międzynarodową Unię Ochrony Przyrody za „gatunki najmniejszej troski”, co oznacza, że występują powszechnie i nie ma potrzeby otaczać ich jakąś formą ochrony. Wydaje się jednak, że liczebność populacji sikor karolińskich i górskich zmniejsza się powoli na całym ich obszarze występowania, natomiast sikor jasnoskrzydłych ubywa w zachodniej części ich zasięgu. Biolodzy obawiają się, że niektórym sikorom górskim mogą zagrozić ekstrema pogodowe coraz częściej występujące w ich wysokogórskich matecznikach. Czy hybrydowy ptak mógłby dostarczyć takiej populacji nowych genów, które pewnego dnia pomogłyby jej w przystosowaniu się do nowej sytuacji?

„Nie wiemy jeszcze, co się zdarzy” – mówi Rice. Ale zaobserwowanie takiego zjawiska byłoby interesujące”.

***

Rebecca Heisman jest niezależną dziennikarką naukową piszącą o ornitologii i ochronie ptaków. Jest autorką Flight Paths: How a Passionate and Quirky Group of Pioneering Scientists Solved the Mystery of Bird Migration (HarperCollins, 2023).