Slik taklet en liten fisk å bli isolert fra havet

Den siste istida tok slutt for nær 12.000 år siden. Landet hevet seg sakte da tyngden av isen forsvant og landhevingen gjorde at mange havbukter ble avsnørt og dannet innsjøer.

Fisk ble fanget i disse innsjøene.

Stingsilda klarte seg da saltvann ble til ferskvann. Den finnes fortsatt i dagens kystnære innsjøer langs norskekysten.

Saltvann ble gradvis til brakkvann og senere ferskvann. Denne miljøendringen førte naturligvis til en total utskiftning av dyre- og planteliv.

Men unntaket er den lille stingsilda – den klarte seg og finnes fortsatt i dagens kystnære innsjøer langs norskekysten. Hvordan i all verden klarte den lille fisken å tilpasse seg sånne store endringer, endatil flere steder samtidig?

12.000 år gamle bein av trepigget stingsild kan gi oss noen svar.

• Les også: Hvorfor vandreduen ble utryddet

Endret seg flere steder samtidig

Trepigget stingsild finner vi altså i både ferskvannssjøer, i salt havvann og  i en blanding av de to som kalles brakkvann. Selv om fiskene tilhører samme art, ser de litt ulike ut alt etter hvor vi finner dem.

Siden svært mange innsjøer ble avsnørt fra havet, vet vi at endringene i stingsilda skjedde mange steder samtidig, men gruppene av stingsild tilpasset seg miljøendringene uavhengig av hverandre, helt uten at de blandet seg. Dette må ha med gener å gjøre.

Dette gjør også trepigget stingsild svært så godt egnet til å studere det som biologer kaller «parallell evolusjon», evolusjonære endringer som skjer parallelt, men uavhengig av hverandre.

Forskere fikk funn fra fortida

– Vanligvis har vi bare tilgang på stingsild fra nåtida. Vi sammenligner grupper fra ferskvann og saltvann, og antar at fisk fra havet i dag er genetisk sammenlignbare med fisken som fant seg til rette og tilpasset seg ferskvann i tidligere tider, sier førsteamanuensis Andrew Foote fra NTNU Vitenskapsmuseet og Bangor University i Wales.

Forskere fikk tilgang til 12.000 år gamle bein fra to stingsild.

Dette kan i hvert fall gi et nyttig grunnlag. Men stingsilda som lever i saltvann i dag har også utviklet seg siden den gang. Derfor er den kanskje ikke helt lik den som tilpasset seg ferskvann ved slutten av istida. Dette er det vrient for biologer å vite.

Men ved tverrfaglig samarbeid fikk forskere tilgang til 12.000 år gamle bein fra to stingsild i dagens Hammerfest kommune. Mer om det mot slutten.

– Selv om disse beina tilhører fisk som døde for over ti tusen år siden, da mesteparten av Skandinavia var dekket av is, inneholder de fragmenter av DNA som vi kan studere. Genene gir oss et innblikk i de tidlige stadiene av overgangen fra saltvann til ferskvann, sier Foote.

Internasjonalt samarbeid

Resultatene fra det internasjonale samarbeidet ble nylig presentert i Current Biology. Her har eksperter på geologi, fortidas DNA og genetisk evolusjon samarbeidet for å sammenligne trepigget stingsild fra nå og tidligere. 

Foote slo seg blant annet sammen med professor og genekspert Tom Gilbert fra Københavns Universitet. De hadde tilgang til et toppmoderne laboratorium for studier av gammelt DNA, og de brukte nyutviklet metoder for å studere gener fra de 12.000 år gamle stingsildene.

– De siste 20 årene har forskning på stingsild gitt oss nøkkelinnsikt i grunnlaget for parallell evolusjon. Vi har funnet at tilpasning kan skje gjennom nye mutasjoner, men ofte dreier det seg om å gjenbruke genetisk variasjon som allerede eksisterer, og som sprer seg mellom populasjoner, sier doktor Felicity Jones ved Friedrich Miescher-laboratoriet ved Max Planck Society i Tübingen i Tyskland.

Populasjoner er grupper av dyr av samme art som er geografisk mer eller mindre atskilt fra andre grupper av samme art.

• Les også: Vampyrflaggermusens blodige løsning

Saltvannsfisk hadde genene for ferskvann

– Det er virkelig slående at vi kunne identifisere genvarianter som vi vet kan gi toleranse for et liv i ferskvann i én enkelt saltvannsfisk. For å greie det måtte vi overvinne alle utfordringene vi støter borti når vi skal finne gensekvenser i gammelt DNA, sier doktorgradsstudent og hovedforfatter Melanie Kirch, også hun fra Friedrich Miescher-laboratoriet.

Dette beviser at genvarianter som gjør stingsilda i stand til å leve i ferskvann, allerede fantes i stingsildpopulasjonene i havet for flere tusen år siden. Disse saltvannsfiskene kunne dermed kolonisere innsjøene som oppsto.

Men Kirch tar forbehold:

– Resultatene viser at parallell evolusjon har noen begrensninger. Selv om fisken som koloniserte innsjøene allerede hadde genvarianter som gjorde dem i stand til å takle ferskvann, er det ikke alltid vi finner disse genvariantene i fisken i dag. Dette forteller oss at selv slike fordelaktige varianter kan gå tapt under evolusjonen, kanskje på grunn av tilfeldigheter. Dette er det vi kaller «genetisk drift».

Et vindu mot fortida

Dette gamle DNAet har gitt et vindu mot fortida. Det har gjort oss i stand til å studere den genetiske sammensetningen hos forfedrene til dagens fisk. Forskerne kan dermed spore tilpasning som har foregått over flere tusen år. Dermed skjønner de også mer av evolusjonsprosessen.

På den måten får de bedre modeller og får ny innsikt i faktorer som påvirker retningen, hastigheten og molekylærgrunnlaget bak evolusjon i naturen.

• Les også: Bjørnedyr overlever i verdensrommet og havdypet

Studerte landhevingen

Stingsildbeina ble funnet av norske geologer som egentlig studerte landhevingen som har foregått langs den norske kystlinjen siden isen trakk seg tilbake fra Skandinavia.

Geologene snuglet over fiskebeina i flere sedimentprøver fra innsjøer langs kysten. Sedimenter er materiale som gjennom årene synker til bunnen og blir avsatt lagvis etter alder, med mindre noen eller noe forstyrrer rekkefølgen. I mer eller mindre urørte innsjøer viser sedimentlagene derfor spor etter overgangen fra et havmiljø til et ferskvannsmiljø.

Fiskebeina vi vasket ut av sedimentprøvene var forbløffende godt bevart.

Karbondatering kan hjelpe geologene til å rekonstruere hvordan havnivået har endret seg over tid, men denne gang ble det til nytte på annet vis.

– Fiskebeina vi vasket ut av sedimentprøvene var forbløffende godt bevart. Vi kunne straks identifisere dem til å stamme fra trepigget stingsild, sier forsker Anders Romundset ved Norges geologiske undersøkelse.

De fant alderen ved å karbondatere plantemateriale som ble funnet i de samme lagene som beina. Analysen viste også at akkurat disse fiskene levde i brakkvann, noe som betyr at innsjøen var i ferd med å bli atskilt fra havet.

Siden beina ble funnet i en overgangsperiode mellom hav til ferskvannssjø, viste genene både genvariasjoner som er forbundet med en tilpasning til havet, samtidig som noen av genene tydelig viser en tilpasning til ferskvann.

Kilde: Melanie Kirch, Anders Romundset, M. Thomas P. Gilbert, Felicity C. Jones, Andrew D. Foote. Ancient and modern stickleback genomes reveal the demographic constraints on adaptation. Current Biology. March 10, 2021. https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.02.02