Prof. dr. Simona Kralj-Fišer na Biološkem inštitutu Jovana Hadžija ZRC SAZU raziskuje pajke, konkretneje, zakaj so samice toliko večje od samcev, kakšno vlogo igrajo pri tem geni, okolje in malo znani materinski učinki. Pri delu kombinira tradicionalne in sodobne znanstvene metode.

Vodi tudi temeljni raziskovalni program Biodiverziteta: vzorci, procesi, predikcije in ohranjanje, v okviru katerega potekajo dolgoročne raziskave biotske pestrosti. Hkrati je predavateljica na Podiplomski šoli ZRC, kjer je odigrala ključno vlogo pri snovanju programa in akreditaciji magistrskega ter doktorskega študija, in na Univerzi na Primorskem, na kateri je pred kratkim izšel njen učbenik Od genov do vedenja in naprej.

Za svoje delo je nedavno dobila zlati znak ZRC SAZU. »Sprva sem nagrado sprejela kar z nekoliko nejevere. Raziskovalno delo oziroma dosežke je težko in nehvaležno primerjati med seboj. Vendar mi zlati znak ZRC SAZU veliko pomeni in ga doživljam kot priznanje, da je moje delo kakovostno. Ponosna sem na to, da so mi ga podelili,« pravi velika ljubiteljica živali, ki ji doma družbe sicer ne delajo pajki, ampak mačka, pes in agama.

Ste vodja prebojnega projekta Spolno specifični materinski učinki: metodološke in podatkovne osnove za raziskovanje ekstremne spolne velikostne dvoličnosti. Raziskujete torej ekstremne spolne razlike po videzu in vedenju. Vaši modelni organizmi pa so pajki. Kako velike so te razlike?

Samci nekaterih vrst pajkov so res dramatično manjši od samic. Samec, denimo, tehta pet miligramov, samica pa 800. Na pogled sta videti kot dve različni vrsti, sta različnih barv, oblik, zasedata različne ekološke niše. Pri vedenjskih študijah pa smo pozorni predvsem na razlike v agresivnosti, aktivnosti in podobnem.

Pri določenih vrstah, denimo sesalcih ali pticah, so samci markantnejši, pri pajkih pa so samice bistveno večje. Kaj je bil vzrok za takšno evolucijo?

Te razlike so odvisne oziroma povezane predvsem s spolno selekcijo, ki deluje drugače na samice kot na samce. Pri pticah in sesalcih morajo samci običajno tekmovati za samico. Samci, ki so večji, močnejši, imajo dostop do več dobrin, lahko oplodijo več samic in takšni imajo potem tudi več mladičev. In če je ta lastnost, ki prinaša prednost pri parjenju, dedna, se bo to preneslo v naslednjo generacijo in se bo sčasoma razširila v populaciji, kar lahko vodi do povečanja telesne velikosti samcev v primerjavi s samicami. Tako naravna selekcija skrbi, da bodo samci večji kot samice.

Na drugi strani pa gre evolucija telesne velikosti lahko tudi v drugo smer. Pri mnogih nevretenčarjih so zaradi selekcije za večjo plodnost samice večje kot samci. Logika je preprosta: večja ko je samica, več jajčnih celic lahko proizvede in nosi, več ima lahko mladičev. Pri pajkih je velikost povezana tudi z mobilnostjo. Manjši se lahko hitreje premikajo, kar jim omogoča učinkovitejše iskanje samic.

Zelo zanimivi so primeri nekaterih globokomorskih rib iz družine Lophiiformes (morske spake), kjer so samice zelo velike, samci pa se pritrdijo na samico in postanejo le parazitski partnerji, ki zagotavljajo spermo za razmnoževanje. Ta strategija je posledica redkosti srečanj v globokem morju, kjer je iskanje partnerja izjemno težko. Zato so se samci razvili v manjše oblike, ki se lahko trajno pritrdijo na samico in ji zagotavljajo stalno preskrbo s spermiji. Obstajajo torej nekatere res ekstremne oblike spolnega dimorfizma.

Na kateri vrsti pajkov ste opravili največ raziskav in zakaj?

Največ raziskujem zlate mrežarje (nefilide). Že od leta 2015 skoraj vse raziskave vodim na eni vrsti, to je Nephilingis cruentata, ki mi služi kot odličen modelni organizem. Iz raziskave v raziskavo o vrsti vemo več, hkrati pa se nam odpirajo nova vprašanja in raziskave. Vrsta sicer domuje v Južni Afriki in Južni Ameriki.

Samica in samci zlatih mrežarjev (Nephilingis cruentata) FOTO: Shutterstock  

Ste zato veliko na terenu v tujini?

Pravzaprav ne. Sama sem bila vedno bolj v laboratoriju. Prvo populacijo teh pajkov so s terena prinesli moji sodelavci z biološkega inštituta. Skozi leta sem razvila zelo dober sistem vzgoje novih generacij, z zelo natančnim sistemom parjenja, da ni križanj (parjenj) v ožjem sorodstvu, in do zdaj smo vzgojili že 13 generacij. Kar je zelo veliko, v večini laboratorijev običajno pridejo do dveh, treh generacij, potem pa zaradi posledic parjenja v sorodstvu že nastanejo težave.

No, letos pa sem morala na teren v Južno Afriko, da sem nabrala sveže vzorce. V sedanjem projektu imam namreč namen raziskati vpliv endosimbiontov na reproduktivno biologijo. Vem, da ima moja vrsta te endosimbionte, vendar jih je po več generacijah v laboratoriju verjetno izgubila. Zato sem bila letos po desetletju znova na terenu. Z veseljem bi več časa preživela v naravi, a je za to potrebnega veliko časa in tudi denarja.

Kaj je tako posebnega na tej vrsti pajkov?

Raziskave spolnega dimorfizma me spremljajo že mnogo let. Bolj poglobljeno smo ta fenomen začeli raziskovati s kolegoma Matjažem Kuntnerjem in Matjažem Gregoričem ter našo doktorsko študentko Shakiro Quinones Lebron. Preučevali smo predvsem makroevolucijske vzorce spolne dvoličnosti. Na podlagi pridobljenega znanja se je odprlo še zelo veliko raziskovalnih vprašanj, s katerimi sem se ukvarjala.

Slovenski raziskovalci odkrili nenavaden odnos med tremi živalskimi vrstami

Temeljno vprašanje, na katero poskušam najti odgovor, je, kako je mogoče, da se dva osebka iste vrste, a drugega spola (samci in samice si delijo iste gene), tako zelo razlikujeta. Tako zelo, da bi ju na prvi pogled uvrstili v dve različni vrsti. Torej, kako je mogoče, da so ob isti genetski zasnovi tako različni fenotipi. Na primer: načeloma bi na velikost vplivali isti geni ne glede na spol. Če bi se velikost zaradi selekcije za plodnost povečevala pri samicah, bi se to moralo zgoditi pri obeh spolih, tudi pri samcih. A se ne. Nekje se je moralo to razklopiti in mene je zanimalo, na kateri točki se je to zgodilo.

V svojih prvih raziskavah se še nisem osredotočala na posamezne gene, ampak na podobnosti v velikosti med sorodniki. S pomočjo pristopov kvalitativne genetike sem lahko ugotavljala, kakšen je prispevek genov, okolja in materinskih učinkov k velikosti enega in drugega spola. To zahteva izredno kompleksno modeliranje. S kolegom z Islandije, Paulom Debesom, s katerim tesno sodelujeva, sva odkrila – menim, da je bila to do zdaj zame najbolj prebojna ugotovitev – da imajo samci in samice različen mehanizem, ki vpliva na njihovo velikost. Pri samicah so to večinoma geni, pri samcih pa geni nimajo velikega vpliva, ampak bolj materinski učinki.

In kaj so materinski učinki?

Zelo posplošena definicija je, da so materinski učinki vpliv mame na fenotip potomca, pri čemer izvzamemo vpliv genov. Gre za vplive, ki izhajajo iz materinega fenotipa in okolja ter vplivajo na razvoj potomca. Mama s svojim fenotipom vpliva na to, kakšen bo fenotip potomca.

Primer tega je, denimo, prehrana mame. Pri pajkih je to lahko količina rumenjaka v samičini jajčni celici, ki je pomemben dejavnik, saj rumenjak vsebuje hranilne snovi, ki podpirajo razvoj zarodka. Zanimivi materinski učinki so se pokazali pri vodnih bolhah, ki so bile izpostavljene plenilcem. Te so kot odziv na signale o plenilcih v vodi razvile trne na glavi in so te lastnosti prenašale na svoje potomce, dokler so bili ti signali v njihovem okolju. Takoj ko so signali izginili, so pri naslednjih generacijah potomcev trni izginili. To je klasičen primer epigenetske spremembe kot odziva na okolje, ki ne vključuje spremembe osnovne DNK. Podobno se lahko, denimo, prenaša tudi vpliv, če je mama pod stresom, na primer pri ljudeh v vojni, ko gre za res hud stres. Ta lahko prek metilacije genov za receptorje kortizola oslabi regulacijo stresa pri njenih potomcih. Torej, to se ni zgodilo na genetski ravni, ampak na epigenetski, kjer se zaradi metilacije genov lahko spremeni izražanje genov.

Za zdaj še nismo tako daleč, da bi lahko podrobno preučevali epigenetiko. Sem pa nedavno začela nov projekt, v katerem bomo zbrali vse informacije za naslednjo fazo raziskav. Zdaj imamo že tudi genom te vrste pajkov. Iz njega bomo lahko razbrali, kako se geni različno izražajo pri samicah in samcih ter kdaj se začnejo različno izražati. Nekateri mehanizmi pa se torej prek staršev prenesejo na potomce, vendar ne preko genov, ampak na drug način, ki je še precej neraziskan. Iz študij kvantitativne genetike vemo, da ti drugi načini prispevajo nekaj deset odstotkov.

Izdelali boste referenčni genom pajkov. Kako zahteven projekt je bil to?

Zame osebno je bilo to precej zahtevno delo, saj nisem molekularna biologinja, ampak vedenjska biologinja. Vendar sem našla odlične sodelavce, sodelovala sem z ljubljansko biotehniško fakulteto in Fakulteto za matematiko, naravoslovje in informacijske tehnologije Univerze na Primorskem, predvsem s Hansom Recknaglom in Eleno Bužan. Sama sem tako imela vlogo idejne vodje, kolegi pa so poskrbeli za izvedbo.

Kako lahko naštete ugotovitve razširite na druge vrste pajkov oziroma druge vrste živali?

Pajki so med najprimernejšimi za raziskovanje velikostnega spolnega dimorfizma. Moje raziskave ne izhajajo iz tega, da bi me zanimala posamezna živalska vrsta, ampak izhajam iz raziskovalnih vprašanj.

Mi smo bili prvi, ki smo pokazali na materinske učinke kot mehanizem, ki omogoča spolno dvoličnost, vendar ga ne poznamo dobro, ne vemo, ali z njim lahko razložimo ta fenomen tudi na drugih vrstah. Ko bomo poglobili znanje teh mehanizmov in tako prispevali k razumevanju fenotipske pestrosti, ki izhaja iz epigenetike, bomo lahko te mehanizme nato iskali tudi pri drugih vrstah. Pri človeku in sesalcih imamo kromosome X in Y in vemo, da je kromosom Y odgovoren za te razlike. Pri drugih organizmih pa tega ne vemo. Tako da gre za zelo bazično znanje.

»Temeljno vprašanje, na katero poskušam najti odgovor, je, kako je mogoče, da se dva osebka iste vrste, a drugega spola, tako zelo razlikujeta.« (Samica in samci zlatih mrežarjev.) FOTO: Shutterstock

Priča smo okoljskim spremembam, kako te vplivajo na vrste, ki jih preučujete?

Z višanjem temperature v okolju se rast osebkov poveča. Če pa govorimo o ekstremnih temperaturah, se rast zmanjša, ker so te zanje stres. Prav tako so vplivi ekstremne vročine precej podobni kot pri človeku. Raziskave so pokazale, da se v mestih, denimo, zviša stopnja kriminala, pajki, denimo, prav tako postanejo agresivnejši.

Zanimivo je, da lahko samci pajkov prilagodijo, kdaj bodo spolno dozoreli in kako veliki bodo, glede na feromone, ki jih zaznajo od samice. To pomeni, da so se sposobni sinhronizirati s samicami v okolju. To je raziskovala naša mlada raziskovalka.

Okolje najbolj vpliva z razpoložljivostjo hrane, kar je pravzaprav povsem logično. Če je hrane dovolj, samica nima težav s tem, da je velika. Če je hrane malo, pa je velikost seveda problem.

Kako pa se ti pajki vedejo?

Mene je zanimalo predvsem razmnoževalno vedenje pajkov. Preden sem začela delo na inštitutu, sem se ukvarjala z vedenjem gosi, pri katerih samci najprej dvorijo samicam in se nato z njimi parijo.

Pajki so seveda povsem druga zgodba. Pri nekaterih vrstah, ki jih raziskujemo, pajki v samici zlomijo svoj pedipalp (spolni organ) in ji tako zaprejo spolno odprtino, kar pomeni, da se ne more še enkrat pariti.

Nekatere samice samca požrejo. Spolni kanibalizem je izjemno zanimiv. Ko sem začenjala raziskovati, je bilo znanega bore malo. Obstajale so trditve, da samice, ki so agresivne, napadejo vse samce, ki jim dvorijo. V svojih študijah sem pokazala, da to ni res, kar se znova zdi precej logično. Če bi bilo to vedenje stalno in brez prilagodljivosti, bi lahko negativno vplivalo na razmnoževalni uspeh samice, saj bi ostala brez mladičev. Namesto tega se je izkazalo, da samice napadajo predvsem tiste samce, ki so predvidoma manj kakovostni – na primer manjši ali manj agresivni –, saj bi bili njihovi potomci verjetno tudi manj uspešni pri parjenju. Obstajajo seveda še druge hipoteze o spolnem kanibalizmu, na primer, da jih samice požrejo, da dobijo potrebna hranila.

Tudi samci so razvili različne strategije, da bi si zagotovili potomstvo. Na primer, samci, ki jih samice po parjenju kanibalizirajo, si »vzamejo« več časa za samo parjenje, kar pomeni, da se bo preneslo več sperme in bo več mladičev. Takšno strategijo imajo na primer samci pri črnih vdovah. Pri eni vrsti mrežarjev smo odkrili, da prenos sperme poteka podobno kot prenos strupa pri čebeljem piku. V koži je strup v mehurčku in se prenaša še po tem, ko je čebela že mrtva, pri pajkih pa se podobno dogaja s prenosom sperme iz zlomljenega pedipalpa, ki v samici ostane še dlje časa po tem, ko si ga samec odtrga ali ga napade samica.

Zanimiva strategija zagotavljanja očetovstva je tudi, da samci zaznajo feromone samic in izkoristijo ugoden trenutek, ko poteka zadnja levitev samic v odraslost, ter se takrat parijo. Samica je takrat preveč ranljiva, da bi lahko samca napadla in poškodovala.

Skratka, samec bi jo rad monopoliziral, samica pa tega noče. Konflikt med spoloma je izjemno zanimiv.

Sive gosi  

Preučevali ste tudi osebnosti sivih gosi?

Ja, raziskave osebnosti so bile takrat še čisto nove, kasneje pa so postale zelo moderne. V teh raziskavah sem res uživala, saj sem hkrati z opazovanjem spremljala tudi njihovo fiziologijo, srčni utrip in hormone. Merili smo koncentracije metabolitov testosterona in kortizola, stresnega hormona. S temi študijami smo pokazali, da obstajajo konsistentne individualne razlike v vedenju (torej v osebnostnih lastnostih) tudi pri živalih, v tem primeru goseh. Te razlike pa se niso pokazale le pri vedenju, ampak tudi v stresnih hormonih. Po domače, nekatere so bile običajno bolj flegmatične, druge pa večinoma bolj nevrotične. Podobno je pravzaprav pri ljudeh.

Zanimiva je bila ugotovitev, da so bili samci z visokimi ravnmi testosterona nedružabni. Bili so samotarji. Niso bili agresivni, kot bi predvidevali iz testosterona, le bolj neprilagodljivi in samotarski. Zanimive so bile tudi koalicije, ki so jih imeli samci: med seboj so se družili, na primer trije, in so izvajali nasilje nad drugimi. Da o skokih čez plot pri tej tako opevani monogamni vrsti ne govorim.

Pri pajkih česa takega seveda ni pričakovati?

Ne. Moram priznati, da mi je bilo nekoliko težko na začetku, ker so pajki večinoma teritorialni, torej nesocialni, in pogosto ne počnejo pravzaprav nič. Zato jih angleško imenujemo sit-and-wait predators (plenilci, ki sedijo in čakajo). A na drugi strani imajo druge zanimivosti. Če poznaš biologijo vrste, lahko prilagodiš svoje raziskovalno vprašanje in obratno. Če imaš neko raziskovalno vprašanje, moraš najti ustrezno modelno vrsto, da lahko to preučuješ.

Vzporedno pa sodelujem tudi pri evropskem projektu, ki se ukvarja s čustvi pri živalih. Zame je zelo pomembna dobrobit živali in želim si, da bi imeli več znanja in vpogleda v to, kaj lahko živali občutijo. To je zelo težka naloga, ker ne moremo pogledati v njihovo notranjost. Zdaj postavljamo kriterije, da bi lahko določali, kaj čutijo: ali gre za bolečino, ali imajo zavest.

Pri katerih živalih?

Ne bomo preučevali vseh vrst, ampak izbrane skozi celotno filogenetsko drevo. Verjetno se je najprej razvila bolečina, potem strah. Ta se je verjetno razvil kmalu, ker omogoča preživetje. Vprašanje je, ali so to samo refleksi ali dejansko čutenje. Ali se lahko naučijo čustev?

Menite, da tudi pajki lahko občutijo strah?

Mogoče ne strah kot občutje, kot ga doživljajo ljudje. Vendar se tudi pri njih ob nevarnosti sproži stresni sistem, odzovejo se tudi vedenjsko. Ne vem pa, kako takšno fiziološko spremembo doživljajo.

Vodite tudi temeljni projekt o biotski pestrosti. Stanje ni dobro.

To je temeljni raziskovalni program na našem inštitutu, ki teče že vrsto let. Na začetku se je izvajalo predvsem taksonomske raziskave ter inventarizacije flore, favne in vegetacije v Sloveniji, zaradi usmeritve znanosti in velikih sprememb pa se zdaj poskušamo bolj približati sodobni znanosti. Ukvarjamo se tako s temeljnimi raziskavami, kot so znotrajvrstna pestrost (spolna dvoličnost, polimorfizmi, ekotipi), ekologija populacij, vrst in združb, evolucija, kot z aplikativno znanostjo, na primer uporaba prediva pajkov za monitoring okolja, vpliv naravnih nesreč, kmetijstva in urbanizacije na biotsko pestrost, varstvene translokacije. Izvajamo raziskave, povezane z različnimi politikami, od naravovarstvene do kmetijske, gozdarske in obrambne. Vesela sem in ponosna, da prispevamo k ohranjanju biodiverzitete v Sloveniji.

Stanje biotske pestrosti pa seveda ni dobro. Za tako ugotovitev ti ni treba biti biolog, samo oči je treba odpreti. Včasih so bila vetrobranska stekla avtomobilov poleti polna mušic, danes niso več. Žuželk je vedno manj, so pa zelo pomembne za ekosistem, na primer so opraševalci, pomembni členi v prehranjevalnih spletih, biotični kontrolorji, gospodarsko pomembne vrste itd.

Mislim, da smo zaradi stanja biotske pestrosti lahko zelo zaskrbljeni, vendar bi trend lahko obrnili, če bi hoteli. V primerjavi z nekaterimi drugimi, predvsem zahodnoevropskimi državami je stanje pri nas nekoliko boljše, a nikakor ne moremo reči, da je dobro. Velik problem je, da država (nekatera ministrstva) premalo vlaga v bazične in aplikativne raziskave, pomembne na nacionalni ravni, kar se odraža v pomanjkanju znanja, podatkov in strokovnih podlag za uspešno izvedbo naravovarstvenih ukrepov, potrebnih za ohranjanje in obnovo biotske pestrosti. Z lani sprejeto uredbo EU o obnovi narave bo Slovenija, s ciljem obnove biotske pestrosti na državni ravni, vsekakor morala pripraviti ambicioznejši načrt za izvajanje in spremljanje učinkovitosti ukrepov. Ti morajo biti strokovno ustrezno zasnovani, na podlagi znanstvenih izsledkov. Ključni pri tem bosta torej komuniciranje in sodelovanje različnih sektorskih politik ter znanosti in stroke.