Mokslo ir technologijų pasaulis

Grakščios ir paslaptingos katės kankina ne tik tuos, kurie su jomis dalijasi sofa, bet ir mokslininkus, bandančius išsiaiškinti jų kilmę ir evoliuciją. Iš ko išsivystė dabartinė katinių šeima? Kodėl ir kada jos paliko savo namus ir persikėlė į kitus žemynus? Kiek iš tikrųjų yra rūšių ir kurios iš jų artimai susijusios?

Grakščios ir paslaptingos katės kankina ne tik tuos, kurie su jomis dalijasi sofa, bet ir mokslininkus, bandančius išsiaiškinti jų kilmę ir evoliuciją. Iš ko išsivystė dabartinė katinių šeima? Kodėl ir kada jos paliko savo namus ir persikėlė į kitus žemynus? Kiek iš tikrųjų yra rūšių ir kurios iš jų artimai susijusios?

Dažniausiai specialistai sutinka, kad katinių (Felidae) šeimą sudaro 37 rūšys, tačiau kartu siūlo daugybę klasifikacijos schemų, jungiančių kačių rūšis į 2 ar net 23 gentis. Kas gi galėtų pasiginčyti? Juk vienos rūšies gyvūnai labai panašūs į kitos rūšies. Juolab jos visos ir atrodo kaip didelės, vidutinio didumo ir mažos katės. Atskirti liūto kaukolę nuo tigro gali būti sudėtinga netgi specialistui, be to, ir pastarųjų dešimtmečių genetinių tyrimų duomenys nepadėjo tiksliau klasifikuoti.

Pastaraisiais metais nemažai nuveikta atliekant įvairių gyvūnų, taip pat ir žmogaus, genomo sekoskaitą. Įgyvendintas Žmogaus genomo projektas (Human Genome Project), tobulinami DNR analizės metodai. Tai suteikė galimybę patikslinti katinių šeimos klasifikaciją. Taigi remdamiesi naujausiais metodais ir padedami kolegų iš kitų įstaigų, sudarėme pirmąjį tikslų katinių šeimos medį. Lygindami kiekvienos dar gyvuojančios kačių rūšies 30 genų DNR sekas galėjome nustatyti katinių šeimos medžio šakas. Kiekvienos šakos atsiradimui datuoti rėmėmės iškastinių liekanų (fosilijų) teikiama informacija ir „molekulinio laikrodžio“ analize (tiriamų genų sekų skirtumai padėjo nustatyti, prieš kiek laiko rūšys išsiskyrė). Galiausiai pateikiame pirmąjį ir galutinį modelį, kaip įvairių dydžių katės tarpusavyje susijusios, kaip ir kada šie nuostabūs plėšrūnai apsigyveno visuose penkiuose žemynuose.

Kačių fosilijos tokios panašios, kad net ekspertams sunku atskirti liūto kaukolę nuo tigro.

Eiliškumo samprata

Iš karto pastebėjome, kad pagal DNR tyrimų rezultatus 37 rūšių kates galima suskirstyti į aštuonias aiškias grupes ar gentis. Buvome sužavėti ir padrąsinti, pamatę, kad aštuonios grupės, nustatytos remiantis tik molekulinės analizės metodais, sutapo ir su gyvūnų, priklausančių tai pačiai grupei, morfologinėmis, biologinėmis ir fiziologinėmis savybėmis. Pavyzdžiui, vienai genčiai priklauso visos labai garsiai riaumojančios katės (liūtas, tigras, leopardas, jaguaras ir snieginis leopardas). Joms riaumoti leidžia nevisiškai sukaulėjęs poliežuvinis kaulas, esantis kakle ir palaikantis liežuvį. Taip pat šiai grupei priskiriami kitokios kaulų sandaros, todėl negalintys riaumoti, dūminis ir dėmėtasis leopardai, mažai žinomos vidutinio dydžio katės gražiai marmurišku kailiu.

Genų sekų lyginimas padėjo nustatyti kačių gentis, jų atsiradimo eiliškumą ir laiką (remiantis fosilijų duomenimis). Nepaisant to, nebuvo atsakymų į dar du klausimus: kur katės atsirado pirmiausia ir kaip jos paplito po pasaulį. Visų pirma norėjome išsiaiškinti kiekvienos kačių rūšies dabartinį ir, naudojant paleontologines iškasenas, jų protėvių paplitimą. Todėl į kačių pasaulį teko pažvelgti geologų akimis, kurie pagal nuosėdų sudėtį aiškina jūros lygio svyravimus. Kai jūros lygis buvo žemas, žemynus jungė sausuma ir žinduoliai galėjo migruoti į naujas teritorijas. Kai jūros lygis pakildavo, gyvūnai žemynuose vėl būdavo atskiriami. Stuburinių tyrinėjimai rodo, kad izoliacija žemynuose ar salose suteikia kaip tik tai, ko reikia, kad populiacija genetiškai nutoltų ir nebegalėtų daugintis su bendrų protėvių palikuonimis.

Dauginimosi nutrūkimas ir yra naujų rūšių atsiradimo požymis. Pasitelkę šias žinias sudarėme galimą katinių šeimos migracijos seką.

Remdamiesi vien fosilijomis, dauguma mokslininkų sutinka, kad katė, vadinama Pseudaelurus, ir gyvenusi Europoje prieš 9–20 mln. metų, yra paskutinis bendras dabartinių katinių šeimos protėvis. (Pseudaelurus buvo ne pirmoji katė; didelės Nimravid genties kardadantės katės gyvavo net prieš 35 mln. metų, tačiau beveik visi jų palikuonys jau išnykę.) Mūsų naujausi molekuliniai tyrimai rodo, kad dabartinės katės yra kilusios iš vienos Pseudaelurus genties rūšies, gyvenusios Azijoje prieš 11 mln. metų. Nors tiksliai nežinome kuri iš jų buvo tikrieji protėviai, bet tikime, kad ankstesnės rūšys iš dabartinių 37 katinių įtraukė ir „Ievą bei Adomą“.

Migracijos pradžia

Pirmoji grupė, panterų gentis, kuri šiandien apima riaumojančiąsias kates ir dvi dūminių leopardų rūšis, nuo paslaptingosios Azijos katės atsiskyrė maždaug prieš 10,8 mln. metų. Antrasis atsiskyrimas įvyko dar po 1,4 mln. m. taip pat Azijoje ir davė pradžią kalimantaninių kačių genčiai. Jai dabar priklauso mažosios katės, atsiradusios ir iki šių dienų tebegyvenančios Pietryčių Azijoje. Toliau nuo pradinės grupės atsiskyrė karakalų gentis, kuriai priskiriamos trys vidutinio dydžio kačių rūšys. Jų protėviai nukeliavo į Afriką prieš 8–10 mln. metų. Jie ir pradėjo keliones tarp žemynų. Šioje epochoje jūros lygis nukrito 60 m žemiau už dabartinį. Sausuma, nusidriekusi per Raudonąją jūrą, jungė Arabijos pusiasalį ir Afriką, todėl atsirado galimybė migruoti į šį žemyną.

Katės keliauja, nes taip elgtis verčia jų prigimtis. Dar būdami nesubrendę patinai, kartais ir patelės, turi palikti gimtąsias vietas. Taigi laikui bėgant augančioms kačių populiacijoms plisti reikia vis didesnių ir didesnių teritorijų. Toks elgesys, kartu su poreikiu sekti migruojantį grobį, turbūt ir paaiškina, kodėl katėms yra svarbu keliauti toli ir plačiai.

Katės didelės grobuonės ir, pasitaikius galimybei, greitai ištiria naujas teritorijas, todėl nenuostabu, kad sėkmingai keliauja į nežinomus plotus.

Tuo pat metu, kai Azijos katės pradėjo keliauti Afrikos link, jos taip pat pasklido Azijoje ir, kirtusios Beringo sąsiaurį, patraukė į Aliaskos pusę. Kol katės ieškojo grobio Azijoje, Europoje, Afrikoje ir Šiaurės Amerikoje, jūros lygis pakilo ir atskyrė žemynus; taip dėl izoliacijos ir įpročių kaitos atsirado naujų rūšių. Šiaurės Amerikoje ocelotų ir lūšių gentys atitinkamai atsiskyrė prieš 8 ir 7,2 mln. metų. Iš ocelotų genties atsirado dvi naujos rūšys, iš lūšių – keturios. Pumų gentis, kuriai priklauso pumos, jaguarundžiai ir amerikiniai gepardai, atsiskyrė prieš 6,7 mln. metų.

Prieš 2–3 mln. metų naujas ledynmetis vandenynus privertė vėl smarkiai nusekti, tada pasislinko sausumos ir per Panamos kanalą susijungė du Amerikos žemynai. Tuo metu keletas katinių rūšių pasinaudojo galimybe migruoti pietų link, bet susidūrė su žemynu, kuriame nebuvo placentinių mėsėdžių (lokių, šunų, kačių ir kt.). Pietų Amerika 10 mln. metų buvo atskirta nuo šiaurinių žemių ir knibždėte knibždėjo sterblinių žinduolių rūšių. Tarp jų buvo ir keletas mėsėdžių. Tačiau katės, kirtusios Panamą, tapo visiškomis grobuonėmis: didelės, greitos, vikrios, žiaurios ir mirtinos. Ne tokie plėšrūs sterbliniai mėsėdžiai negalėjo joms prilygti. Beveik visus vietinius sterblinius greitai pakeitė migruojantieji mėsėdžiai, tokie kaip ocelotų genties katės, kurios ir toliau vystėsi. Iš jų susiformavo septynios naujos rūšys, kurios išliko Pietų Amerikoje iki šiol.

Paskutinis ledynmetis, slinkęs prieš 12 tūkst. metų ir storais ledo gabalais dengęs visą Kanadą bei šiaurinę Jungtinių Amerikos Valstijų dalį, pamažu ištirpo, paversdamas nederlingas žemes miškingais plotais ir stepėmis. Tačiau po didžiojo atlydžio staiga prasidėjęs kataklizmas Šiaurės Amerikoje išnaikino apie 40 žinduolių rūšių. Per vadinamuosius pleistoceno išmirimus, ku-riuos sukėlė staigūs klimato pokyčiai, išnyko apie 75 proc. ten gyvenusių didelių gyvūnų: mamutų, vilkų, urvinių lokių, milžiniškųjų tinginių, amerikinių liūtų, kardadančių tigrų, pumų ir gepardų. Gepardai visiškai neišnyko tik todėl, kad prieš keletą milijonų metų, kol jūros lygis vis dar buvo žemas, keletas jų protėvių grįžo atgal į Aziją (žr. žemėlapį), o paskui ir į Afriką. Pumos išvengė išnykimo, nes apsistojo Pietų Amerikoje. Kai kurios rūšys vėl parkeliavo į Šiaurės Ameriką.

Kelionė tęsiasi

Panašiu metu gepardai, leopardinių ir naminių kačių rūšių pirmtakai, atsiskyrę nuo savo amerikinių šaknų, per Beringo sąsiaurį grįžo iš Amerikos atgal į Aziją. Vėliau iš leopardinių kačių rūšies išsivystė bengalinės katės ir dar keturios negausios rūšys, iki šiol aptinkamos Indijoje (rudoji katė), Mongolijoje (manulas), Indonezijoje (plokščiagalvė katė) ir įvairiose Azijos dalyse (viverinė katė).

Taip pat šiuo periodu daug labiau paplito panterų genties didžiosios riaumojančiosios katės. Stambūs 320 kg sveriantys tigrai klajojo po visą Pietų ir Rytų Aziją, o snieginiai leopardai, prisitaikę prie aukščio, gyveno Centrinės Azijos šiaurinėje ir vakarinėje dalyje, Himalajų ir Altajaus kalnuose. Leopardai paplito ne tik Azijoje, bet ir Afrikoje, kur sutinkami ir šiandien. Liūtai ir jaguarai nukeliavo į Šiaurės Ameriką vėlyvojoje plioceno epochoje, maždaug prieš 3–4 mln. metų. Pleistoceno epochoje abi šios rūšys Šiaurės Amerikoje išnyko. Jaguarams, patekusiems į Pietų Ameriką, o liūtams – į Afriką, naujieji žemynai pasirodė patrauklesni negu Europa, Azija arba Amerika. Žvėrių karalius Afrikoje išliko iki šių dienų ir ten suskaičiuojama apie 30 tūkst. individų. Vis dėlto Azijoje jie beveik išnykę ir tik maža populiacija, apie 200 Azijos liūtų, dar glaudžiasi Vakarų Indijos Gudžarato provincijos miškuose.

Mūsų atlikti genetiniai tyrimai atskleidė, kad smarkiai nyko ir tigrai. Maždaug prieš 73 tūkst. metų galingi Tobos ugnikalnio išsiveržimai išnaikino žinduolių rūšis Rytų Azijoje, taip pat ir gausiai paplitusią tigrų populiaciją. Maža grupelė tigrų išliko ir vėl apgyvendino teritoriją. Dabartinių jų palikuonių genetiniai tyrimai rodo, kad po Tobos išsiveržimo tik nedaugelis tigrų galėjo pratęsti rūšį. Liūtai, kaip gepardai ir pumos Šiaurės Amerikoje, išgyveno vien dėl grobuoniškumo.

Ant mūsų sofos

Vėliausia kačių kelionė, iš džiunglių į mūsų kambarius, prasidėjo plačiose Viduržemio jūros baseino dykumose ir gūdžiuose miškuose. Pamažu čia atsirado mažųjų kačių – sveriančių mažiau negu 10 kilogramų – rūšių. Tai Rytų Azijos nendrinė katė, Viduriniųjų Rytų smėlyninė katė, Afrikos juodakojė katė ir visur paplitusios miškinės katės, kurių yra net keturi porūšiai (Europoje, Centrinėje Azijoje, Artimuosiuose Rytuose ir Kinijoje). Taigi prasidėjo sėkmingiausias eksperimentas pasaulyje – bandymas prijaukinti katę. Šio proceso eigą paaiškino Oksfordo universiteto studento Karloso Driskolo (Carlos Driscoll) atlikti išsamūs molekulinės genetikos tyrimai su pasaulio naminėmis ir miškinėmis katėmis. Visos naminės katės genetiškai susijusios su Azijos miškinėmis katėmis, paplitusiomis nuo Izraelio iki Artimųjų Rytų.

Dabar esame įsitikinę, jog katės buvo prijaukintos Derlinguoju pusmėnuliu vadinamoje teritorijoje, kuri apima Afrikos Šiaurės rytų ir Vakarų Azijos dalis. Čia susiklostė seniausios pasaulio civilizacijos. Tai įvyko prieš 8–10 tūkst. metų, kai klajoklių žmonių gentys ėmė burtis į mažus kaimus. Šie ankstyvieji žemdirbiai augino kviečius ir miežius. Netoliese gyvenančias miškines kates tikriausiai traukė grūdų sandėliuose krebždantys graužikai, kuriuos naikindamos ir užsitarnavo prieglobstį.

Vis labiau prijaukinamos miškinės katės dauginosi ir siejo savo sėkmę su žmonėmis.

Pagaliau šie gyvūnai pradėjo naują migracijos etapą: pirmiausia pėsčiomis, vėliau vežimais ir galiausiai laivais. Taip prijaukintos katės pasklido po pasaulį. Šiuo metu gyvena apie 600 mln. naminių kačių. Tai beveik vienintelė katinių rūšis, neįtraukta į Pasaulinę raudonąją knygą. Jau XIX a. savininkai ėmė jas kryptingai veisti, norėdami gauti naujų veislių. Amerikos kačių mylėtojų asociacija oficialiai yra užregistravusi 41 veislę, tarp jų Meino meškėnų, Siamo, persų kačių ir koratų. Visos jos atsirado Derlingajame pusmėnulyje, prasidėjus žmogaus ir katės civilizacijai.

Tik skirtingi kačių rūšių genomai leido nustatyti jų giminystę, migraciją, išnykimą ir paplitimą žemėje. Mūsų atskleista katinių šeimos evoliucijos istorija galbūt paskatins kitus genominės priešistorės tyrimus.

Apie autorius

1971 Kornelio universitete įgijęs genetiko daktaro laipsnį Stivenas J. Obrainas (Stephen J. O’Brien) toliau tęsė studijas Nacionaliniame vėžio institute. XX a. devintojo dešimtmečio pabaigoje įkūrė Genomo įvairovės laboratoriją, kuriai iki šiol vadovauja. Tai jau ketvirtasis jo straipsnis Scientific American žurnale. Naujausia jo knyga – Atlas of Mammalian Chromosomes (Wiley, 2006). Vorenas E. Džonsonas (Warren E. Johnson) gyvūnų ekologijos daktaro laipsnį įgijo Ajovos valstijos universitete 1992 ir tais pačiais metais ėmė dirbti Genomo įvairovės laboratorijoje.

Kačių mįslę bemenant

Gyvūnų sistematikos specialistams buvo sunku suklasifikuoti katinių šeimą, nes fosilijos nėra vientisos ir sunku atskirti vieną rūšį nuo kitos. Straipsnio autoriai, išanalizavę visų dar gyvenančių 37 rūšių atstovų DNR, išskirtą iš kraujo ar audinių, sugrupavo katinių šeimą į aštuonias gentis. Kai kurios rūšys yra retos ir gyvena tolimose vietovėse, todėl paimti jų mėginius buvo nelengva. Taip pat mokslininkai ištyrė septynias artimų kačių giminaičių, viverinių (Viverridae) šeimos rūšis. Tyrimų duomenys, gauti iš katinių šeimai nepriklausančių rūšių, buvo naudojami kaip bazinė linija, padedanti nustatyti katinių rūšių atsiskyrimą nuo pagrindinio genetinio medžio.

Mokslininkai ištyrė chromosominę (X ir Y chro-mosomų) ir mitochondrinę DNR (šio organoido DNR paveldima tik iš motinos). Kiekvienai katinių genčiai nustatyti jie tyrė 30 genų DNR sekas, iš viso 22 789 nukleotidų. Buvo nustatyta, kad beveik pusė šių sekų rūšims vystantis kito. DNR sekų skirtumai leido mokslininkams nustatyti, kurios rūšys grupėje buvo labiausiai susijusios ir kurios buvo seniausios. Laikui bėgant genai kinta. Taigi anksčiausiai atsiradusių rūšių genai turėjo daugiausia laiko pakisti. Bet kuriame jų bus aptinkama daugiausiai skirtumų, todėl galima manyti, kad rūšys, kurių genams būdingi tie patys skirtumai, yra labiausiai susijusios.

Kai tik DNR analizė leido mokslininkams nustatyti kati-nių šeimos genealoginio medžio šakas, jie ėmėsi iškastinių liekanų tyrimo. Iš jo buvo galima nustatyti, kada tos šakos atsiskyrė. Naudodami radioaktyvosios anglies metodus, paleonto-logai nustatė dau-gybės senovinių kačių fosilijų amžių. Tam tikrų kačių rūšių (tokių kaip didžiosios katės, lūšys ar ocelotai) fosilijos buvo laikomos trūkstama jungtimi ir pateikė genealoginio medžio šakoms 16 datų. Kom-piuterinės programos, pagrįstos „molekulinio laikrodžio“ analize, pagal genomo duomenis įvertino nuo kiekvieno atsiskyrimo praėjusį laiką. („Molekulinio laikrodžio“ idėja yra ta, kad kai kurie evoliuciniai pokyčiai vyksta pastoviu dažniu. Pavyzdžiui, DNR mutacijos genuose atsiranda periodiškai per milijonus metų. Todėl DNR sekų skirtumai gali būti naudojami nustatant laikotarpį, kada dvi grupės atsiskyrė nuo bendro protėvio.)

Didelę reikšmę tiriant genomų sekas turėjo Abisinijos katės genomo sekoskaita. Šios katės ir kitų 32 žinduolių rūšių (žmogaus, pelės, šuns, karvės, dramblio) genomų sekoskaitos duomenys leido evoliucijos tyrinėtojams surinkti beveik neribotą genetinę informaciją apie dabartinių žinduolių raidą per 100 mln. metų.

Straipsnio tekstinė ir vaizdinė medžiaga priklauso "Scientific American lietuviškas leidimas" žurnalui ir be redakcijos sutikimo draudžiama kopijuoti ar kitaip atgaminti straipsnyje panaudotą informaciją.