maanantai 23. huhtikuuta 2012

Jääkausista ja genetiikasta

HUOM (Ma 23.4)! Kirjoitin tämän kyllä jo perjantaina, mutta jostain syystä se ei tullut näkyville. Julkaisen tämän siis uudestaan nyt. Pahoitteluni!


Näin kevään räntä- ja lumisateiden kunniaksi päätin kirjoittaa tänään jääkausista, noista maailmaa myllertäneistä isoista ilmastollisista muutoksista. Ja niiden vaikutuksista lajien geneettiseen monimuotoisuuteen. Ja vähän siltä väliltä. Havainnollistan tekstiäni hienoilla Wordissa askartelemmillani kuvilla.

KAIKKI
lähtee liikkeelle maapallon akselin kaltevuuden säännöllisesti 41 000 vuoden välein toistuvista muutoksista, jotka aiheuttavat muutoksia maapallon ilmastossa, ja johtavat jääkausien ja niiden välisten lämpimien jaksojen eli interglasiaalien noin 100 000 vuoden sykleihin. Sen lisäksi että jääkaudet ja niiden väliset lämpökaudet ovat syklisiä, jääkauden aikanakin ilmasto vaihtelee jäätiköitymisjaksojen ja niiden välisten hieman lämpimämpien jaksojen eli interstadiaalien vuorotellessa.

Kuvassa yläpuolella lämpötilan muutos pitkällä aikavälillä (jääkaudet aallonpohjassa, lämpöjaksot aallonharjalla). Alapuolella jääkausien sisäiset muutokset (jäätiköitymisjaksot aallonpohjassa ja interstadiaalit aallonharjalla. Havaittavissa syklisyyttä! Aika kulkee kuvassa vasemmalta oikealle, ja tässä voisi olla vaikka parinsadantuhannen vuoden jakso, johon sisältyy kaksi jääkautta.



 



(Äh, en saa näitä pieniä aaltoja pysymään oikeilla kohdilla, eli kuvitelkaa kaksi pikkuaaltoa yhden jääkausijakson alle.) 

Esimerkiksi edellinen interglasiaali (Eem-interglasiaali) oli rapiat 100 000 vuotta sitten, ja kesti vähän yli 10 000 vuotta. Sen jälkeen tuli Veiksel-jääkausi, ja tällä hetkellä elämme Holoseenia, interglasiaaliaikaa, joka alkoi noin 10 000 vuotta sitten viimeisimmän jäätiköitymisjakson loputtua ja Euroopan peittäneen mannerjään sulettua.

Jäätiköiden laajeneminen ja sulaminen vaikuttaa lajien levinneisyysalueisiin ja populaatiokokoihin sopivien elinympäristöjen muuttuessa ja siirtyessä.
Jäätiköitymisjakson aikana, ilmaston kylmetessä, jään reuna etenee etelää kohti (tarkastelemme tilannetta nyt pohjoiselta pallonpuoliskolta), jolloin lämpimien alueiden lajien elinympäristöt supistuvat kohti päiväntasaajaa. Arktisten, kylmien alueiden eliöstöjen elintilat saattavat puolestaan jopa laajeta viileähkön ilmaston myötä, tai ainakaan kylmä ilmasto ei vaikuta arktisiin lajeihin niin paljon kuin eteläisempiin. Lämpimien kausien aikana taas pohjoiset lajit joutuvat koetukselle, kun lämpimämpi ilmasto siirtyvät pikkuhiljaa pohjoisemmaksi ja arktiset habitaatit vähenevät.

Jääkausien aikana populaatiokoko saattaa pienetä levinneisyysalueen pirstoutuessa pienempiin osiin. Populaatioita voi jäädä eristyksiin pienille alueille, niin sanottuihin refugioihin. Esimerkiksi yllä mainittu lämpimän ilmaston siirtyminen pohjoisemmaksi voi johtaa siihen, että arktiset lajit joutuvat siirtymään yhä pohjoisemmaksi, kunnes vastaan tulee Jäämeri eikä pohjoisemmaksi enää pääse, ja populaatiot joutuvat puristuksiin ja jumiin kaikkein pohjoisimpien niemimaiden kärkiin. Eteläisemmät lajit joutuvat refugioihin useimmiten jäätiköitymisen aikana, kun ilmasto viilenee ja lämmin elintila vähenee. Tunnettuja refugioita, joissa pääosa Euroopan nykyisistä lajeista viettivät jääkautensa, ovat muun muassa Iberian ja Balkanin niemimaat sekä Italia. Nämä alueet rajoittuivat jääkauden aikana pohjoisessa vuoriin (Alppeihin, Pyreneisiin ja Balkanvuoriin) ja niiden pohjoispuolella vallitsevaan tundraan ja ikiroutaan, ja muilta suunnilta mereen pitäen populaatiot omissa oloissaan pitkiä aikoja. Eri refugioihin joutuneet saman lajin populaatiot alkoivat sitten eriytyä geneettisesti, koska niiden välillä ei päässyt tapahtumaan geenivirtaa.
 

Jääkausien aikaansaamien refugia- eli jäännepopulaatioiden kohdatessa jälleen populaatiot yleensä sekoittuivat, mutta niiden perimään jäi merkki pitkään kestäneestä eristyneisyydestä. Sen lisäksi että refugiapopulaatioiden välille kertyy eroja, geneettinen variaatio usein vähenee refugian seurauksena populaatiokoon supistuessa. Luin äsken artikkelin jääkarhun ja ruskeakarhun geneettisistä suhteista, ja siinä ehdotettiin ruseakarhun geneettisen monimuotoisuuden olevan vähäistä juuri lämpimien ilmastojaksojen aiheuttamien refugioide takia, joissa populaatiokoko ensin pienenee rajusti ja kasvaa sitten taas suuremmaksi olosuhteiden parannuttua.

Tällaista tapahtumaa, jossa populaatio äkkiseltään pienenee ja sitten taas kasvaa, kutsutaan pullonkaulaksi. Muutkin tekijät kuin jääkaudet voivat aiheuttaa pullonkauloja - esimerkiksi taudit ja myrskyt, joihin saattaa kuolla iso osa populaatiosta. Myös vaikkapa uusille alueille levittäytyminen saattaa aiheuttaa pullonkaulan, jos uusi perustajapopulaatio on vain pieni osa alkuperäisestä lähtöpopulaatiosta, ja tämä pieni perustajapopulaatio on sitten kantana uuden elinalueen tulevalle populaatiolle. Tällaista pullonkaulan muotoa kutsutaan perustajanvaikutukseksi.

Tässä pullonkaulan idea: Vaakatasolla on populaatiokoko (mitä leveämpi, sen isompi) - pystyakselilla on aika (
vaikkapa 10 000 vuotta), alhaalla menneisyys ja ylhäällä nykyhetki. Populaatio on 5000 vuoden kohdalla pienentynyt rajusti, käynyt läpi pullonkaulan, ja sitten taas kasvanut takaisin alkuperäiseen kokoonsa.





Tässä puolestaan on esimerkki perustajavaikutuksesta; pieni joukko yksilöitä (valkoinen pieni rinkula) erkaantuu isosta populaatiosta (sininen iso rinkeli) ja perustaa uuden populaation uudelle elinalueelle. Pienen perustajapopulaation geneettinen koostumus voi sattuman vaikutuksesta poiketa hyvinkin paljon alkuperäisestä kantapopulaatiosta.








Sekä populaation pieneneminen että kasvu jättävät merkkejä lajin geneettiseen variaatioon. Sattuman kautta jotkut alleelit selviävät pullonkaulasta, ja toiset häviävät, jolloin populaation alleelifrekvenssit muuttuvat. Populaation pienentyessä äkillisesti sattuma voi aiheuttaa sen, että populaation eloonjäänyt osa on geneettiseltä koostumukseltaan aivan erilainen kuin alkuperäinen. Yllä olevassa kuvassa pienessä perustajapopulaatiossa saattaa vaikka olla sattumalta paljon jotain harvinaista alleelia, ja täten uudessa populaatiossa kyseinen alleeli ei enää olekaan harvinainen, vaan on muuttunut yleiseksi. Siinäpä evoluutiota käytännössä, alleelifrekvenssien muuttumista populaatiossa sukupolvesta toiseen!

Siinä teille sekalainen sekoitus jääkausia, genetiikkaa ja ekologisia käsitteitä. Tässä vielä aiheeseen liittyvä mainio artikkeli, johon suuri osa edellisestä tekstistä perustuu: Post-glacial re-colonization of European biota (Hewitt 2008).

Hyvää viikonloppua,

Nelli


torstai 12. huhtikuuta 2012

Välillä sitä genetiikkaakin

Hei!

Kässäreiden pyörittely jatkuu edelleen ja asiat etenevät ihan mukavasti. Piristävin viime päivien asia liittyy kuitenkin ahmojen genetiikkaan. Eräs laitoksemme opiskelija tekee gradua ahmojen genetiikkaan liittyen, ja keräämäni ulosteet muodostavat osan hänen aineistostaan. Hän on vertaillut näytteiden mikrosatelliitteja ja saanut arvion ulosteista, jotka ovat samasta yksilöstä peräisin.

Sotkamolaisen ahman kallisarvoinen uloste ja virtsajälki

Tämä tieto kiinnostaa minua luonnollisesti jo siksikin, että tilastollisten testien kannalta on hyödyllistä tietää, mitkä ulosteet ovat samasta yksilöstä (mikäli esimerkiksi käytämme analyysissä yksilöä ns. random factorina). Mutta silti ehkä eniten odotin tietoja kotiseudultani Sotkamosta keräämistäni ulosteista. Oli hauskaa nähdä, kuinka ahmayksilöt sijoittuvat kartalle tutuissa maisemissa. Olin tosin jo silmämääräisesti jakanut ulosteet eri "yksilöiksi" sen mukaan, kuinka ne alueellisesti sijoittuivat, joten mitään suuria yllätyksiä ei tullut.

Ahman jälkijono Sotkamossa

Eräällä alueella tosin näytti elelevän kaksi eri ahmaa, kun itse olin aikaisemmin päätellyt kaikki kyseisen alueen ulosteet saman yksilön jättämäksi. Tämä tietenkään ei ole mitenkään erikoista, etenkään mikäli nämä kaksi yksilöä edustavat eri sukupuolia. Ahmallehan on tyypillistä, että yhden uroksen elinalueella elelee useampiakin naaraita. Saman sukupuolen edustajat eivät sen sijaan läheskään aina siedä toisiaan samalla elinalueella -tosin tästäkin tunnetaan poikkeuksia (esim. haaskapaikat, joilla useat ahmat vierailevat).

Tahvo-ahma saapumassa valmiiksi katettuun ruokapöytään
Lieksassa Erä-Eerolla (kuva otettu piilokojusta)


Nyt vielä odotellaan sukupuolen määrityksiä, jotka myös ovat kiinnostavaa tietoa minunkin tutkimukseni kannalta. Harmillista on se, ettei kaikista ulosteista saatu riittävän hyvälaatuista DNA:ta, joten läheskään kaikkia keräämiäni ulosteita ei pystytty tyypittämään. Mikäli vain pari mikrosatelliittia monistuu, näytettä ei voi luotettavasti verrata muihin näytteisiin. Sukupuolen määrityksissä on ollut myös ongelmia, koska Y-kromosomista monistettu mikrosatelliittimarkkeri ei näkynytkään agaroosigeelillä. Homma siis meni vähän uusiksi, mutta jospa sieltä kuitenkin jotain tietoa irtoaisi.

Seita-ahman suovaltakuntaa Vieremällä

Nämä keräämistäni ulosteista saadut yksilö- ja sukupuolitiedot eivät ole aivan välttämättömiä julkaisuitani varten. Olenhan jo periaatteessa tehnyt jo lähes kaikki analyysit ja kirjoittanut kässäritkin melkein valmiiksi. Nämä kuitenkin tuovat ehkä vähän lisää uskottavuutta hommaan, ja toki nyt tiedot saatuani tarkistan vielä, pitääkö jotain muuttaa esim. analyyseissä. Kokonaisuudessaan tämä gradu-tutkimus on kuitenkin erittäin merkittävä asia jo ahmojen kannanhoidonkin takia Suomessa. Ahmojen genetiikkaa kun ei ole meillä tutkittu käsittääkseni juuri lainkaan.

Seita-ahman hämyisää talvimaisemaa Vieremällä

Tässä vaiheessa kiitän suuresti "ahma-gradulaista" ja muita, jotka ovat tehneet työtä ahman genetiikan parissa! Toisinaan itsellekin tekee hyvää laajentaa omaa tutkijakammiota ja avata rajoja biologian alan eri suuntauksien välissä, tässä tapauksessa siis genetiikan ja ekologian :)

Anni

perjantai 6. huhtikuuta 2012

Faktaa ja fiktiota virtuaalimaailmasta

No nyt on hyviä uutsia! Meiltä ilmestyi artikkeli pari viikkoa sitten! Kyseessä on metodiartikkeli, joka esittelee ryhmässämme ideoidun ja toteutetun virtuaaliympäristön hyönteisten näön tutkimiseen. Artikkeli ilmestyi Nature Publishing Groupin upouudessa avoimessa nettilehdessä nimeltä Scientific Reports. Suora linkki artikkeliin on tässä.

Oma osuuteni artikkelista ovat nuo käyttäytymiskokeet, joissa torakka juoksee virtuaalimetsässä. Supplementary information -osiosta löytyy kaksi lyhyttä videota torakasta metsälenkillä. Kuvat 6a ja b esittävät torakan juoksemaa matkaa virtuaalimetsän kartalla. Karttojen mustat pisteet ovat puiden paikkoja, ja liikkumisnopeuden hahmottamiseksi torakan polulle on merkitty punainen ruksi joka 20. sekunti. Torakka on lähtenyt liikkeelle metsän keskeltä ja päätynyt molemmissa tapauksissa kiertämään metsää ympäri. Oletettavasti torakkaa viehättää suuri kontrasti metsänreunan ja täysin mustan ympäristön välillä.

"Virtuaalipallo" on herättänyt paljon mielenkiintoa. Onhan se toki mediaseksikäs aihe! Yllättävin artikkelimme innoittama teksti löytyi Scientific Americanin Observations-blogista. Ferris Jabr oli kirjoittanut sadun, jossa virtuaalitodellisuustutkimuksissa käytetyt eläimet pitävät kokousta. Uusina osallistujina kokoukseen saapuvat myös minun torakkani! Kyseisen sadun voit lukea täältä.

Haluan vielä tehdä yhden bloginoston. Tuonne oikeassa sivupalkissa olevaan Tiedeblogeja -listaan on ilmestynyt kotimainen Erään planeetan ihmeitä -niminen blogi. Kirjoittaja on ekologian ja evoluutiobiologian opiskelija Jyväskylän yliopistosta. Blogi on hyvin kirjoitettu ja käsittelee monipuolisia asioita ekologiasta paleontologiaan, koristettuna kirjoittajan itsensä tekemillä upeilla kuvituksilla. Suosittelen lämpimästi tutustumaan!

Eipä sitten muuta kuin leppoisaa pitkää viikonloppua ja hauskaa pääsiäistä niille, jotka sitä viettävät!