En ny studie ger en förbättrad titt på den sammanflätade evolutionära historien om isbjörnar och brunbjörnar.

Att bli separata arter hindrade inte helt dessa djur från att para sig med varandra. Forskare har vetat detta under en tid, men den nya forskningen bygger på en utökad datauppsättning – inklusive DNA från en gammal isbjörnstand – för att få fram fler detaljer.

Berättelsen som dyker upp avslöjar komplexiteter som liknar dem som komplicerar människans evolutionära historia.

– Bildandet och underhållet av arter kan vara en rörig process, säger Charlotte Lindqvist, Ph.D., docent i biologiska vetenskaper vid universitetet vid Buffalo College of Arts and Sciences och expert på björngenetik. "Det som har hänt med isbjörnar och brunbjörnar är en snygg analog till det vi lär oss om mänsklig evolution:att uppdelningen av arter kan vara ofullständig. Allt eftersom fler och fler antika genom har återvunnits från forntida mänskliga populationer, inklusive neandertalare och denisovaner. , vi ser att det pågick genetisk blandning i flera riktningar när olika grupper av ålderdomliga människor parade sig med moderna människors förfäder. Isbjörnar och brunbjörnar är ett annat system där du ser detta hända."

"Vi hittar bevis för korsning mellan isbjörnar och brunbjörnar som föregår en gammal isbjörn som vi studerade", säger hon. "Och dessutom visar våra resultat en komplicerad, sammanflätad evolutionär historia bland bruna och isbjörnar, där genflödets huvudriktning går in i isbjörnar från brunbjörnar. Detta inverterar en hypotes som föreslagits av andra forskare att genflödet har varit enkelriktat och går in i brunbjörnar runt toppen av den senaste istiden."

Studien kommer att publiceras veckan den 6 juni iProceedings of the National Academy of Sciences . Den leddes av Lindqvist vid UB i USA; Luis Herrera-Estrella vid National Laboratory of Genomics for Biodiversity (LANGEBIO) i Mexiko och Texas Tech University i USA; och Kalle Leppälä vid Uleåborgs universitet i Finland. Tianying Lan, Ph.D., en tidigare UB-postdoktor nu vid Daicel Arbor Biosciences, var medförfattare med Leppälä.

Konceptet med arktiskt anpassade isbjörnar som fångar genetiskt material från brunbjörnar, som är anpassade till livet på lägre breddgrader, är ett av flera fynd av möjliga intresse för forskare som är intresserade av klimatförändringarnas effekter på hotade arter.

När världen värms upp och den arktiska havsisen minskar, kan isbjörnar och brunbjörnar springa in i varandra oftare på platser där deras utbredningsområde överlappar varandra. Detta gör deras gemensamma evolutionära historia till ett särskilt spännande studieämne, säger Lindqvist.

Att dela upp arter kan vara en rörig process

Som Lindqvist förklarar trodde forskare en gång att moderna människor och neandertalare helt enkelt splittrades i separata arter efter att ha utvecklats från en gemensam förfader. Sedan hittade forskare neandertal-DNA i moderna eurasier, vilket antyder att moderna mänskliga populationer fick ett inflöde av gener från neandertalare någon gång i deras gemensamma evolutionära historia, säger hon.

Först senare insåg forskarna att denna genetiska sammanblandning också kompletterade neandertalpopulationer med moderna mänskliga gener, tillägger Lindqvist. Med andra ord kan korsning vara komplex, inte nödvändigtvis en enkelriktad gata, säger hon.

Den nya studien på björn avslöjar en anmärkningsvärt liknande historia:Analysen finner bevis på hybridisering i både isbjörns- och brunbjörnsgenom, där isbjörnar i synnerhet bär en stark signatur på ett inflöde av DNA från brunbjörnar, säger forskare. Tidigare forskning föreslog endast det omvända mönstret, säger Lindqvist.

"Det är spännande hur DNA kan hjälpa till att avslöja forntida livshistoria. Genflödets riktning är svårare att avgöra än bara dess närvaro, men dessa mönster är avgörande för att förstå hur tidigare anpassningar har överförts mellan arter för att ge moderna djur deras nuvarande egenskaper," säger Leppälä. Ph.D., postdoktor vid forskningsenheten för matematiska vetenskaper vid Uleåborgs universitet.

"Befolkningsgenomik är en allt kraftfullare verktygslåda för att studera växt- och djurevolution och effekterna av mänsklig aktivitet och klimatförändringar på utrotningshotade arter", säger Herrera-Estrella, Ph.D., President's Distinguished Professor of Plant Genomics och chef för Institute of Genomics for Crop Abiotic Stress Tolerance i Texas Tech Department of Plant and Soil Science. Han är också professor emeritus vid LANGEBIO. "Björn ger inte enkla berättelser om artbildning mer än människans evolution har. Denna nya genomforskning tyder på att grupper av däggdjursarter kan dölja komplicerade evolutionära historia."

Bevis från moderna björngenom – och DNA från en gammal tand

Studien analyserade genomen från 64 moderna isbjörnar och brunbjörnar, inklusive flera nya genom från Alaska, en stat där båda arterna finns.

Teamet tog också fram ett nytt, mer komplett genom för en isbjörn som levde för 115 000 till 130 000 år sedan i Norges Svalbards skärgård. DNA för den antika isbjörnen extraherades från en tand fäst vid ett subfossilt käkben, som nu är inrymt på Naturhistoriska museet vid Universitetet i Oslo.

Med hjälp av denna datauppsättning uppskattar forskare att isbjörnar och brunbjörnar började bli olika arter för cirka 1,3 till 1,6 miljoner år sedan, vilket uppdaterar tidigare bedömningar som gjorts av några av samma forskare. Åldern för splittringen har varit och förblir ett ämne för vetenskaplig debatt, med tidigare korsning och begränsade fossila bevis för forntida isbjörnar bland faktorer som gör det svårt att fastställa tidpunkten, säger Lindqvist.

I vilket fall som helst:Efter att ha blivit sin egen art, uthärdade isbjörnar dramatisk populationsminskning och en långvarig genetisk flaskhals, vilket lämnade dessa björnar med mycket mindre genetisk mångfald än brunbjörnar, avslutar den nya studien. Fynden bekräftar tidigare forskning som pekar på samma trender och lägger till bevis till stöd för denna hypotes.

Tillsammans med analysen av genflödet ger dessa fynd nya insikter i den röriga, sammanflätade evolutionära historien om isbjörnar och brunbjörnar.

Det internationella forskarteamet inkluderade forskare från UB, LANGEBIO, Texas Tech, Uleåborgs universitet, Far Northwestern Institute of Art and Science, Alaska Department of Fish and Game, Naturhistoriska museet vid Universitetet i Oslo, Nanyang Technological University, Helsingfors universitet och Aarhus Universitet.