Czarne żaby z Czarnobyla. Ekspresowa ewolucja w strefie wykluczenia

Zanieczyszczenie środowiska jest wszechobecne jednak jego długoterminowe konsekwencje ekologiczne nie zawsze są jasne i wciąż słabo zbadane. Tak jest chociażby w przypadku skażenia radioaktywnego po poważnej awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Dotychczas przeprowadzono bardzo mało badań dotyczących ewolucji organizmów przewlekle narażonych na promieniowanie jonizujące, takie jak w Strefie Wykluczenia wokół Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej.

Wypadek w czwartym reaktorze elektrowni jądrowej w Czarnobylu w 1986 roku spowodował największe w historii uwolnienie materiału radioaktywnego do środowiska. Wpływ ostrej ekspozycji na wysokie dawki promieniowania był dotkliwy dla środowiska. Jednak ponad trzy dekady po wypadku Czarnobyl stał się jednym z największych rezerwatów przyrody w Europie. Schronienie znajduje tu dziś zróżnicowana gama zagrożonych gatunków, w tym niedźwiedzie, wilki czy rysie.

Promieniowanie jonizujące może uszkadzać materiał genetyczny organizmów żywych i generować niepożądane mutacje. Jednak jednym z najciekawszych tematów badawczych w czarnobylskiej zonie jest próba wykrycia, czy są tam gatunki, które przystosowały się do życia w takim środowisku. Podobnie jak w przypadku innych zanieczyszczeń, promieniowanie jonizujące może być bardzo silnym czynnikiem selektywnym, faworyzującym organizmy z mechanizmami zwiększającymi ich zdolności adaptacyjne na obszarach skażonych substancjami promieniotwórczymi.

Czarne żaby z czarnobylskiej zony

Germán Orizaola z Uniwersytetu w Oviedo i Pablo Burraco z Estación Biológica de Doñana przyjechali do Czarnobyla w 2016 roku. Znaleźli wówczas w pobliżu uszkodzonego reaktora jądrowego kilka rzekotek wschodnich (Hyla orientalis) o niezwykłym czarnym zabarwieniu. Gatunek zwykle ma jasnozielone ubarwienie grzbietu, chociaż czasami można znaleźć ciemniejsze osobniki.

Czarne żaby skłoniły uczonych do zbadania roli zabarwienia skóry wśród żab z czarnobylskiej zony. W latach 2017-2019 szczegółowo zbadali ubarwienie rzekotki na różnych obszarach północnej Ukrainy. Miejsca te były rozmieszczone wzdłuż czarnobylskie zony, gdzie występują różne poziomy skażenia radioaktywnego. Obejmowały one jedne z najbardziej radioaktywnych obszarów na planecie, ale także miejsca poza strefą wykluczenia, z nikłymi poziomami promieniowania, używanymi w tym badaniu jako próba kontrolna.

W ciągu tych trzech lat Orizaola i Burraco przeanalizowali ubarwienie skóry ponad 200 samców rzekotek wschodnich. Oprócz koloru skóry sprawdzili także dawkę promieniowania i stres oksydacyjny, którego doświadczył płazy. Okazało się, że niemal wszystkie żaby schwytane poza obszarem chronionym były jasnozielone - to typowy kolor dla tego gatunku. Jednak osobniki zebrane w strefie wykluczenia były znacznie ciemniejsze, niektóre z nich nawet czarne.

Po dokładniejszych analizach, które ukazały się na łamach pisma "Evolutionary Applications" (DOI: 10.1111/eva.13476) wyszło, że ciemne ubarwienie jest typowe dla żab schwytanych w najbardziej skażonych obszarach w czasie wypadku. Zabarwienie nie było skorelowane z poziomami promieniowania, jakiego doświadczają płazy obecnie i które badacze zmierzyli u wszystkich osobników.

Melanina

Badacze od początku podejrzewali, że do ciemnego ubarwienia skóry przyczyniło się narażenie na wysokie dawki promieniowania jonizującego. Wiadomo, że ciemne zabarwienie chroni przed różnymi źródłami promieniowania i u wielu organizmów odpowiada za to melanina. Barwnik ten odpowiada za kolor skóry czy oczu, u ludzi włosów, a u zwierząt futra. Ale melanina może też redukować negatywne skutki promieniowania ultrafioletowego.

Jednak to nie wszystko. Melanina może również chronić przed promieniowaniem jonizującym, jak wykazano to w przypadku grzybów. W badaniach sprzed dwóch lat ustalono, że grzyby znalezione w zniszczonym reaktorze jądrowym w elektrowni w Czarnobylu wykorzystują melaninę do pochłaniania promieniowania i przekształcania je w energię chemiczną potrzebną im do wzrostu, być może w podobny sposób, jak rośliny wykorzystują zielony pigment chlorofil do uzyskania energii z fotosyntezy (więcej na ten temat w tekście: Grzyby z reaktora w Czarnobylu można wykorzystać jako osłonę przed promieniowaniem w kosmosie).Melanina pochłania i rozprasza część energii promieniowania. Ponadto może usuwać i neutralizować zjonizowane cząsteczki wewnątrz komórki, takie jak reaktywne formy tlenu. Działania te zmniejszają prawdopodobieństwo, że w organizmach narażonych na promieniowanie uszkodzeniu ulegną komórki i zwiększą szanse na przeżycie tych organizmów.

Pigmentacja melaniny została zaproponowana jako mechanizm buforujący przed promieniowaniem jonizującym. Wyniki badań sugerują, że narażenie na wysokie poziomy promieniowania jonizującego, najprawdopodobniej następującego w czasie wypadku i krótko po nim, mogło spowodować ciemniejsze ubarwienie rzekotki wschodniej z czarnobylskiej zony. Jednak naukowcy podkreślają, że potrzebne są dalsze badania, aby określić podstawowe mechanizmy i ewolucyjne konsekwencje znalezionych tu wzorców.

Ekspresowa ewolucja

Jak przyznali badacze na łamach "The Conversation", wyniki ich analiz sugerują, że żaby z Czarnobyla mogły przejść proces szybkiej ewolucji w odpowiedzi na promieniowanie jonizujące. W tym scenariuszu żaby, które w momencie awarii elektrowni miały ciemniejsze ubarwienie, co normalnie stanowi mniejszość w ich populacjach, zostały ochronione działaniem melaniny.

Osobniki te lepiej poradziły sobie z promieniowaniem i dalej się rozmnażały. Od katastrofy minęło już ponad 30 lat. W tym czasie ciemniejsze osobniki dochowały się kilkunastu pokoleń, a klasyczny, choć bardzo szybki proces selekcji naturalnej może wyjaśniać, dlaczego ciemne żaby są obecnie dominującym typem gatunku w czarnobylskiej zonie.

Badanie czarnych żab z Czarnobyla stanowi pierwszy krok do lepszego zrozumienia ochronnej roli melaniny w środowiskach dotkniętych skażeniem radioaktywnym. Ponadto otwiera drzwi do obiecujących zastosowań w tak różnych dziedzinach, jak gospodarka odpadami jądrowymi czy eksploracja kosmosu.

"Mamy nadzieję, że wojna na Ukrainie wkrótce się skończy, a międzynarodowa społeczność naukowa będzie mogła powrócić, by wraz z naszymi ukraińskimi kolegami studiować fascynujące procesy ewolucyjne w Czarnobylu" – napisali naukowcy.

Autor: DziennikNaukowy.pl