Artikkel

Undersøker hvordan arter oppstår på afrikanske himmeløyer

Utsikt fra Virunga National Park i Uganda mot vulkanene Gahinga og Karisimbi
Soloppgang over afrikanske himmeløyer: Utsikt fra en leir i Virunga National Park i Uganda mot vulkanene Gahinga og Karisimbi. Foto: Magnus Popp/NHM. Bruk bildet.

Undersøker hvordan arter oppstår på afrikanske himmeløyer

Christian Brochmann og Anne Krag Brysting planlegger flere ekspedisjoner til seks afrikanske «himmeløyer» for å undersøke hvordan og hvor fort nye plantearter kan oppstå. Hypotesen er at ekstrem innavl har noe med saken å gjøre.
Christian Brochmann og Anne Krag Brysting i fytotronen på Blindern
Christian Brochmann og Anne Krag Brysting i fytotronen på Blindern: Her skal de dyrke planter fra afrikanske himmeløyer, for å lære mer om hvordan nye arter dannes. Foto: Bjarne Røsjø/UiO Bruk bildet.

Det har gått mer enn 150 år siden Charles Darwin skrev sitt berømte verk On the Origin of Species (Artenes opprinnelse), etter en ekspedisjon til Galapagosøyene. Darwin påviste at isolerte bestander av planter og dyr kan utvikle seg til forskjellige arter, men han hadde ikke verktøy til å grave dypt i hvordan denne artsdannelsen foregår.

– Vi vet fortsatt forbløffende lite om hvilke mekanismer som ligger til grunn for at det dannes nye arter. Vi vet også veldig lite om hvor fort nye arter kan oppstå. Men nå har vi en idé og en stor bevilgning fra Norges forskningsråd som gir oss muligheten til å gå løs på dette, sier professor Christian Brochmann ved Naturhistorisk museum.

Brochmann, som har spesialisert seg på molekylær systematikk, biogeografi og evolusjon i arktiske og alpine regioner, leder det nye prosjektet SpeciationClock. Professor Anne Krag Brysting ved Institutt for biovitenskap er ekspert på plantesystematikk og evolusjon og med-leder for prosjektet. De to planlegger nå en serie ekspedisjoner til seks afrikanske «himmeløyer» – de seks høyeste fjellområdene i Afrika. Der skal de samle inn og studere planter som kan fortelle oss mer om hvordan nye arter dannes.

Fjelltoppene er naturlige laboratorier

– Disse fjellene ligger langt fra hverandre geografisk og har helt andre plante- og dyresamfunn enn de lavere, tropiske områdene mellom dem. Dermed fungerer toppene som naturlige, isolerte laboratorier. Her kan nye plantearter oppstå i isolasjon, omtrent som nye arter av finkefugler kunne oppstå på de ulike øyene i Galapagos, forteller Brysting.

Det er ingenting som er enkelt med dette prosjektet: Brysting, Brochmann og åtte-ti andre norske og afrikanske forskere skal tilbringe to-tre uker i hvert fjellområde mens de samler inn interessante planter i høyder fra 3000 til 4500 meter over havet. Høyden og avstandene gjør at forskerne ikke kan rusle rundt på egen hånd og samle planter.

– Vi var tilsammen ca. 50 personer forrige gang jeg var på Kilimanjaro. Ti forskere, ti assistenter og 30 bærere. Det er ganske krevende å administrere et så stort reisefølge, antyder Brochmann.

de afrikanske himmeløyene

Forskerne skal samle inn planter fra de seks høyeste afrikanske «himmeløyene»:

  • Kilimanjaro i Tanzania. Høyeste punkt: Uhuru Peak, 5869 moh.
  • Mount Kenya. Høyeste punkt: 5199 moh.
  • Mount Elgon, på grensen mellom Kenya og Uganda. Høyeste punkt: 4321 moh.
  • Bale-fjellene i Etiopia: Høyeste punkt: 4277 moh. Det største sammenhengende høyfjellsområdet i hele Afrika.
  • Simen-fjellene i Etiopia. Høyeste punkt: Ras Dashen, 4624 moh.
  • Ruwenzori, også kalt Månefjellene, på grensen mellom Uganda, Kongo og Rwanda. Høyeste punkt: Mont Ngaliema, 5109 moh.

Det grunnleggende artsbegrepet

Utgangspunktet for prosjektet er at to plantepopulasjoner som er isolert lenge nok, gradvis kan utvikle genetiske forskjeller som gjør at hybrider mellom individer fra de to populasjonene blir sterile. Da har populasjonene utviklet seg til to nye arter, forteller Brochmann.

– Artsbegrepet er helt grunnleggende i biologien. Jeg fant riktignok hele 39 forskjellige artsdefinisjoner i litteraturen forrige gang jeg forberedte en forelesning om temaet. Men de fleste er enige om at det er snakk om to forskjellige arter når avkommet blir sterilt, tilføyer Brysting.

Like planter var ulike arter

Christian Brochmann har grublet over denne problemstillingen helt siden han jobbet med sin doktorgrad ved museet og Biologisk institutt på 1980-tallet.

– Da satt jeg i årevis i fytotronen – det klimaregulerte veksthuset – her på Blindern og krysset ulike plantearter fra Arktis for å undersøke hvor beslektet de var. Men så gjorde jeg også noen kontrolleksperimenter med å krysse planter av det vi trodde var samme art fra for eksempel Svalbard og Norge, bare for å sjekke at alt var i orden. Da viste det seg flere ganger at avkommet ble sterilt. Det var altså snakk om forskjellige arter, selv om de så helt like ut!

– Jeg skrev bare noen linjer om det i doktorgraden, men egentlig har jeg vært «hekta» på det funnet hele tiden etterpå. Jeg har også fulgt det opp som et sidespor hele tiden siden, men nå nærmer jeg meg pensjonsalderen. Da var det på tide å gjøre artsdannelsen til et hovedfokus, forteller Brochmann.

Mistenker at selvpollinering gir raskere artsdannelse

En gresslette med kjempelobelia-planter i det etiopiske høylandet.
En gresslette i det etiopiske høylandet: Gressene kan likne på de norske, men kjempelobeliaene er typisk afrikanske. Foto: Magnus Popp, NHM/UiO.  Bruk bildet.

Brochmann og Brysting er enige om at plantene i Arktis ikke egner seg så godt til å studere artsdannelse i isolerte samfunn, for der oppe i nord har både istider og plantevandringer gjort situasjonen nokså uoversiktlig. Selv plante-bestander i vidt adskilte områder, som Alaska og Svalbard, kan ha vært skilt fra hverandre i bare noen tusen år.

Arktiske planter som har vært adskilt bare i kort tid og ser helt like ut, kan altså gi sterilt avkom. Det er overraskende i seg selv at nye arter kan dannes så fort.

– Vi vet ikke årsaken til denne raske artsdannelsen, men vi har en hovedmistenkt. Vi vet nemlig at mange plantearter i Arktis pollinerer seg selv for å sikre frøsetting når det er lite insekter tilgjengelig. Hovedhypotesen vår er derfor at en høy grad av selvpollinering, altså ekstrem innavl, øker hastigheten på artsdannelsen, forklarer Brochmann.

Her er det på sin plass med en saksopplysning: Selvpollinering innebærer at planteindivider befrukter seg selv ved at pollen overføres fra pollenknappene til arret. Fjellplanten snørublom (Draba nivalis) er et typisk eksempel: Den pleier å pollinere seg selv med en gang blomsten åpner seg. Pollineringen skjer ved at støvbærerne legger seg over arret og dekker det med pollen.

– Hos andre planter er selvpollineringen mer en backup-mekanisme. Individene kan befrukte seg selv hvis det ikke kommer pollen fra andre individer, tilføyer Brysting.

Begynner i Bale-fjellene

Forskerne innleder ekspedisjonene med å reise til de etiopiske Bale-fjellene i oktober 2018 – for å samle inn ca. 60 plantearter som skal undersøkes nærmere. Fra disse kommer forskerne til å velge ut ca. 20 som de skal gå videre med i prosjektet. I denne gruppen skal de inkludere både planter som er nesten rent selvpollinerende, noen som pollinerer seg selv av og til og noen som aldri gjør det. De skal samle inn eksemplarer av disse ca. 20 artene fra alle de seks himmeløyene og undersøke hvor genetisk forskjellige de er.

– De genetiske forskjellene kan brukes som et mål på hvor lenge bestandene på ulike himmeløyer har vært skilt fra hverandre. Vi regner med å finne noen bestander som bare har vært isolert i noen tusen år, mens i andre tilfeller har det kanskje ikke skjedd spredning mellom de ulike bestandene på 500 000 år. De seks himmeløyene våre inneholder dermed et helt system av forskjellige isolasjonstider, avhengig av når et frø tilfeldigvis er blitt spredt med fugl eller vind fra fjell til fjell. Dette skal vi bruke til å finne ut hvor fort «artsdannelsesklokken» tikker, forklarer Brochmann.

Fjelltur gjennom klimasoner

Turistene som bestiger Kilimanjaro med utgangspunkt i et nasjonalparksenter som ligger på ca. 1800 meters høyde, begynner vandringen i en regnskog som virker fremmed for norske botanikere. Men etterhvert som stien slynger seg oppover fjellsiden, hvor vandrerne overnatter i turisthyttene som ble bygget under ledelse av den norske fjellklatreren Odd Eliassen på 1970-tallet, blir vegetasjonen stadig mer karrig.

Smyle, et av Norges vanligste gress, vokser også i afrikanske høyfjell
I Norge vokser smyle gjerne på hogstflater i lavlandet, men i Afrika er det en fjellplante. Foto: Marte Holten Jørgensen, SNL

– Regnskogen inneholder arter som er fremmede for norske botanikere, men når vi kommer over tregrensa i ca. 3000 meters høyde, begynner vi å føle oss mer hjemme. Der kan vi for eksempel finne igjen smyle (Avenella flexuosa), som er et av Norges vanligste gress og kan danne hele enger på hogstflater i lavlandet. På Kilimanjaro vokser smyle i ly under noen karakteristiske, treaktige svineblom-arter, forteller Brochmann.

– Også fjellskrinneblom og vårskrinneblom vokser både i de norske og de afrikanske fjellområdene. I tillegg finner vi igjen mange «norske» planteslekter i de afrikanske fjellene, selv om artene ikke er akkurat de samme, tilføyer Brysting.

Klassiske og moderne metoder

Forskerne skal bruke en kombinasjon av klassiske og moderne metoder i prosjektet, som er beregnet til å ta fem år. De afrikanske fjellplantene skal tas med hjem til fytotronen ved Institutt for biovitenskap. Der skal de dyrkes og krysses – på den gode gamle måten med lupe og pinsett.

– De fleste av disse plantene har nokså små blomster, så her snakker vi om mikrokirurgi. Vi må følge med hele tiden og være på plass rett før blomstene åpner seg. Så fjerner vi støvbærerne fra den planten som skal bli mor og henter pollen fra den som skal bli far. Deretter sår vi ut frøene som blir produsert, for å sjekke hvor fruktbart avkommet er, forteller Brysting.

Forskerne skal i tillegg analysere plantenes DNA for å finne ut hvor lenge de ulike bestandene har vært atskilt og for å finne ut nøyaktig hvor mye innavl de er preget av. De håper også å komme på sporet av de enkelte genene og molekylære mekanismene som kan ligge til grunn for dannelsen av nye arter.  

Grunnforskning med klimaperspektiv

Prosjektet SpeciationClock har et skarpt fokus på grunnforskning, men de to forskerne håper likevel at resultatene skal kunne brukes til noe som rett og slett er matnyttig. Mange av kulturplantene og matplantene våre er nemlig selvpollinerende – tomat, erter, soyabønner, sitrus, for å nevne noen, og flere av kornslagene våre – og det kan bety at de ikke lenger kan krysses mot sine opprinnelige, viltvoksende slektninger.

– Men nå er vi inne i en tid med klimaendringer som kan føre til nye plantesykdommer og parasitter. Da må vi kanskje gå tilbake til kulturplantenes ville slektninger for å hente friske gener til de plantene vi dyrker. Hvis det da har oppstått krysningsbarrierer mellom kulturplantene og deres ville slektninger, kan vi kanskje overkomme disse barrierene når vi får mer forståelse av de grunnleggende genetiske mekanismene som er i sving. Vi regner med å lære mer om slike ting i løpet av dette prosjektet, sier Brochmann.

En svineblom-skog i Ruwenzori-fjellene, 4300 meter over havet.
Skogen med kjempesvineblom (Dendrosenecio) 4300 meter over havet i Ruwenzori-fjellene likner lite på et norsk fjellandskap. Men hvis du ser nærmere etter, kan du kanskje finne smyle ved foten av svineblom-trærne. Foto: Magnus Popp, NHM/UiO.  Bruk bildet.

Om prosjektet

Christian Brochmann har tidligere ledet to femårige prosjekter med støtte fra det daværende Nasjonalt program for utviklingsrelatert forskning og utdanning (NUFU). Prosjektene AfroAlp I og II gikk ut på å studere det biologiske mangfoldet og klimaforholdene i afrikanske fjellområder. Tilsammen åtte afrikanske stipendiater ble utdannet.

Afroalp-prosjektene dannet grunnlag for det nye prosjektet SpeciationClock, som nå er finansiert med tilsammen 25 millioner kroner over fem år. Halvparten er interne UiO-midler, mens resten kommer fra FRIPRO Toppforsk-ordningen i Norges forskningsråd. Formålet med Toppforsk er å utvikle flere verdensledende forskningsmiljøer i Norge.

SpeciationClock er et samarbeid mellom UiO, Addis Ababa University (Etiopia), Makerere University (Uganda), Sokoine Agricultural University (Tanzania) og National Museums of Kenya. I tillegg deltar forskere fra Canada, Sveits, Frankrike og Tsjekkia.

Kontaktpersoner:

Professor Christian Brochmann, Naturhistorisk museum

Professor Anne Krag Brysting, Institutt for biovitenskap

Vitenskapelige artikler:

Gustafsson ALS, Skrede I, Rowe HC, Gussarova G, Borgen L, Rieseberg LH, Brochmann C, Parisod C 2014. Genetics of cryptic speciation within an arctic mustard, Draba nivalis. PloS ONE 9: e93834. doi:10.1371/journal.pone.0093834.

Ehrich D, Gaudeul M, Assefa A, Koch MA, Mummenhoff K, Nemomissa S, IntraBioDiv Consortium, Brochmann C 2007. Genetic consequences of Pleistocene range shifts: contrast between the Arctic, the Alps and the East African mountains. Molecular Ecology 16: 2542-2559.

Grundt HH, Kjølner S, Borgen L, Rieseberg LH, Brochmann C 2006. High biological species diversity in the arctic flora. PNAS 103: 972-975.

Les mer på Titan:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Bakterier

Bacteria: The New Superheroes

Bacteria have a poor reputation, but they are also important collaborators, for instance in medicine. Ambitious researchers use computers to push bacteria beyond their limits.
Kjøttmeisen er en av Norges vanligste fugler

Innvandrere har andre matvaner - også fugler

Meis og mange andre småfuglers matvaner er i stor grad styrt av medfødte instinkter, hevder biologenes lærebøker. Men professor Tore Slagsvold har nå vist at kjøttmeis og blåmeis er smartere enn som så. Innvandrer-meis tar nemlig med seg matvanene hjemmefra når de flytter, men etterhvert finner de ut at menyen kan varieres med nye larvetyper.