Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Αριστείδης Παρμακέλης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Ε.Κ.Π.Α.
Κωνσταντίνος Τριάντης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Ε.Κ.Π.Α.
Μαρία Θ. Στουμπούδη, Διευθύντρια Ερευνών, Ινστιτούτο Θαλάσσιων Βιολογικών Πόρων & Εσωτερικών Υδάτων, ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε.
Brant C. Faircloth, Moreland Family Professor, Louisiana State University
Ιωάννης Καραούζας, Ερευνητής, Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών
Σάββας Μ. Γεννίτσαρης, Επίκουρος Καθηγητής, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
Παναγιώτης Παφίλης, Καθηγητής, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
Περίληψη:
Περίληψη (εκτενής)
Τα γαστερόποδα είναι μια από τις παλαιότερες και πιο επιτυχημένες ομάδες ζώων που διαβιούν στη γη και αποτελούν περίπου το 80% των ζωντανών μαλακίων. Έχουν εποικήσει σχεδόν όλα τα θαλάσσια, εσωτερικά ύδατα και χερσαία οικοσυστήματα σε όλες της ηπείρους πλην της Ανταρκτικής και εμφανίζουν υψηλή ποικιλομορφία σε όλα τα ταξινομικά επίπεδα που υπερβαίνεται μόνο από τα έντομα. Υπάρχουν έξι κύριες ομάδες αναγνωρισμένες επί του παρόντος (Patellogastropoda, Neomphalina, Vetigastropoda, Neritimorpha, Heterobranchia και Caenogastropoda) και περισσότερες από 500 υπάρχουσες οικογένειες γαστερόποδων. Τα γαστερόποδα εσωτερικών υδάτων ή αλλιώς «υδρόβια γαστερόποδα» αντιστοιχούν στο περίπου ~10% της πανίδας των γαστερόποδων με 9.976 επί του παρόντος ονομαζόμενα είδη. Εκπρόσωποι των εσωτερικών υδάτων απαντώνται μόνο στα Neritimorpha, Caenogastropoda και Heterobranchia με τις δύο τελευταίες ομάδες να περιέχουν την πλειονότητα των 33-38 εκτιμώμενων οικογενειών που εμφανίζονται σε ενδιαιτήματα εσωτερικών υδάτων. Με ελάχιστες εξαιρέσεις, τα περισσότερα υδρόβια γαστερόποδα έχουν κέλυφος. Ορισμένες ομάδες χρησιμοποιούν ένα σύνολο βραγχίων ή ένα μόνο βράγχιο για να αναπνεύσουν, ενώ άλλες χρησιμοποιούν έναν λεπτό, αγγειοποιημένο «πνεύμονα» για την ανταλλαγή αερίων. Εμφανίζουν μεγάλη οικολογική εξειδίκευση, περιορισμένη γεωγραφική κατανομή, αργούς ρυθμούς αναπαραγωγής και σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής, γεγονός που τα καθιστά πιο ευάλωτα στις προκλήσεις που προκαλούνται από τον άνθρωπο. Κατά συνέπεια, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι το 20% των επιβεβαιωμένων εξαφανίσεων μαλακίων αποδίδεται σε υδρόβια γαστερόποδα.
Το αρχιπέλαγος του Αιγαίου εκτείνεται σε 615 km2 στη λεκάνη της Μεσογείου και βρίσκεται μεταξύ της Βαλκανικής Χερσονήσου και της Μικράς Ασίας. Με περίπου 7.800 νησιά και βραχονησίδες, είναι ένα από τα μεγαλύτερα αρχιπελάγη στον κόσμο που βρίσκεται πάνω από τη σύνδεση τριών βιογεωγραφικών ζωνών, δηλαδή της Ευρώπης, της Ασίας και της Αφρικής. Τα υψηλά επίπεδα κλιματικής και τοπογραφικής ποικιλότητας, η περίπλοκη παλαιογεωγραφική ιστορία, τα υψηλά επίπεδα βιοποικιλότητας και ενδημισμού το καθιστούν ιδανικό σύστημα μοντέλου για τη νησιωτική βιογεωγραφία. Ο τεκτονισμός, η έντονη ηφαιστειακή δραστηριότητα και ο ευστατισμός είναι οι τρεις κύριες διαδικασίες που είχαν ως αποτέλεσμα την ύπαρξη πολλών κύκλων σύνδεσης και απομόνωσης κοντινών νησιωτικών και ηπειρωτικών περιοχών σε όλη την ιστορία των νησιών του Αιγαίου. Τα νησιά του Αιγαίου χαρακτηρίζονται από μεσογειακού τύπου κλίμα που είναι αρκετά ποικιλόμορφο. Οι συχνές ξηρασίες, χαρακτηριστικές των μεσογειακών οικοσυστημάτων, έχουν αντίκτυπο στα μεσογειακά υδατικά συστήματα. Οι τύποι εσωτερικών υδάτων στα νησιά του Αιγαίου ποικίλλουν από πηγές και μικρούς υγροτόπους μέχρι κολπίσκους, ρυάκια και λίγα ποτάμια. Ωστόσο, τα μη πολυετή ρέματα με καθεστώτα διαλείπουσας έως επεισοδιακής ροής κυριαρχούν σε ημίξηρες περιοχές όπως τα νησιά του Αιγαίου. Εκτός από τις παρατεταμένες ξηρασίες, οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες που σχετίζονται με άντληση νερού δημιουργεί πρόσθετες πιέσεις στα υδατικά συστήματα που επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την υδρόβια χλωρίδα και πανίδα. Πολλά από τα είδη που ζουν σε αυτά τα συστήματα απειλούνται με εξαφάνιση καθώς η υποβάθμιση των οικοσυστημάτων τους προχωρά με υψηλό ρυθμό λόγω των ανθρώπινων παρεμβάσεων και της κλιματικής αλλαγής.
Τα υδρόβια γαστερόποδα θεωρούνται μια από τις πιο απειλούμενες ομάδες μαλακίων λόγω της χαμηλής επιβίωσής τους και των υψηλών ρυθμών εξαφάνισης που προκύπτουν από την απώλεια και την υποβάθμιση των ενδιαιτημάτων τους και την εισαγωγή εισβολικών ειδών. Αποτελούν μια θεμελιώδη ομάδα της υδρόβιας πανίδας μακρο-ασπόνδυλων, η οποία εμφανίζει υψηλά επίπεδα ενδημισμού στα ελληνικά νησιά. Ωστόσο, η εικόνα της πανίδας των νησιωτικών υδάτινων σωμάτων είναι αποσπασματική, καθώς καμία ομάδα ασπόνδυλων που διαβιούν σε αυτά, δεν έχει μελετηθεί συστηματικά. Επιπλέον, το πιο πρόσφατο Κόκκινο Βιβλίο των Απειλούμενων Ζώων της Ελλάδας (2009) δεν περιλαμβάνει κανένα είδος υδρόβιων γαστερόποδων, γεγονός που είναι ενδεικτικό της σοβαρής έλλειψης δεδομένων για αυτήν την ομάδα.
Οι περισσότερες μελέτες για τα υδρόβια γαστερόποδα έχουν επικεντρωθεί μέχρι σήμερα σε μεμονωμένες περιγραφές ειδών και ανακατασκευή φυλογενετικών σχέσεων εντός γενών ή ειδών και πολύ λίγες αφορούν τα πρότυπα βιοποικιλότητας αυτής της ομάδας. Η συστηματική ταξινόμηση των υδρόβιων γαστερόποδων χρησιμοποιώντας μορφολογικά και ανατομικά χαρακτηριστικά του σώματος και του κελύφους τους έχει αποδειχθεί δύσκολη υπόθεση λόγω των ελλιπών ειδοδιακριτών χαρακτηριστικών και της παρουσίας πολλών κρυπτικών ειδών. Ως εκ τούτου, έχουν χρησιμοποιηθεί μοριακά δεδομένα για την επίλυση προβλημάτων ταξινομικής φύσης και την ασφαλή αναγνώριση ειδών.
Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η πρώτη ολοκληρωμένη μελέτη υδρόβιων γαστερόποδων στα υπό-μελετημένα υδατικά συστήματα του Αιγαίου Πελάγους. Σκοπός της είναι η εξέταση των προτύπων βιοποικιλότητας των υδρόβιων γαστερόποδων, η ανακατασκευή των φυλογενετικών σχέσεων επιλεγμένων ταξινομικών ομάδων γαστερόποδων και η διερεύνηση μιας νέας ομάδας φυλογενομικών δεικτών ως προς την αποτελεσματικότητα τους στην επίλυση φυλογενετικών σχέσεων στην Ομοταξία των Γαστερόποδων.
Στο 1ο Κεφάλαιο, καταγράφηκε η πανίδα των γαστερόποδων εσωτερικών υδάτων στα υδάτινα συστήματα 11 νησιών του Αιγαίου. Συνολικά, συλλέχθηκαν και αναγνωρίστηκαν 40 αυτόχθονα είδη υδρόβιων γαστερόποδων που ανήκουν σε 9 οικογένειες και 4 εισβολικά είδη που ανήκουν σε 3 οικογένειες χρησιμοποιώντας μορφολογικά, ανατομικά και μοριακά δεδομένα. Οι δειγματοληψίες πεδίου μας έδειξαν ότι τα περισσότερα είδη εμφανίζονται σε καρστικές πηγές και μικρά ρέματα / ρυάκια που τροφοδοτούνται από τις πηγές παρά σε άλλα υδάτινα συστήματα. Τα δύο μεγαλύτερα νησιά, Κρήτη και Εύβοια, εμφάνισαν το μεγαλύτερο πλούτο ειδών και ποσοστό ενδημισμού, ενώ η Τήνος και η Λήμνος αποτέλεσαν τα πιο φτωχά νησιά σε υδρόβια γαστερόποδα. Επίσης, διερευνήθηκαν και εντοπίστηκαν στατιστικά σημαντικά θερμά σημεία (hotspots) βιοποικιλότητας, που χαρακτηρίζονται από υψηλό αριθμό αυτόχθονων και ενδημικών ειδών με τη χρήση του εργαλείου HotSpot Analysis Tool (Getis-Ord Gi*) του λογισμικού QGIS (3.16.0 - Hannover). Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση κανονικής αντιστοιχίας (CCA) προκειμένου να εξεταστεί εάν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ της παρουσίας ειδών και των περιβαλλοντικών μεταβλητών. Ανάμεσα στις μεταβλητές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν φυσικοχημικές παράμετροι που μετρήθηκαν στα πλαίσια των δειγματοληψιών, το υψόμετρο και οι 19 βιοκλιματικές μεταβλητές για κάθε σταθμό δειγματοληψίας. Η CCA κατάφερε να εξηγήσει το 81% της διακύμανσης των δεδομένων. Για τα περισσότερα γένη, η θέση τους στο γράφημα μπορούσε να εξηγηθεί από τις οικολογικές τους απαιτήσεις και τη βιολογία τους. Πολυάριθμες έρευνες που αφορούν την οριοθέτηση βιογεωγραφικών περιοχών στο Αιγαίο χρησιμοποιώντας δεδομένα παρουσίας φυτών ή ζώων έχουν διεξαχθεί τα τελευταία χρόνια, αποκαλύπτοντας αξιοσημείωτα πρότυπα ποικιλότητας ειδών που συχνά συνδέονται με την παλαιογεωγραφία του Αιγαίου. Παρόλα αυτά η χρήση ομάδων οργανισμών γλυκού νερού σε τέτοιες μελέτες είναι μέχρι στιγμής ανύπαρκτη, επομένως στην παρούσα μελέτη κατασκευάστηκαν οικολογικά δίκτυα χρησιμοποιώντας δεδομένα παρουσίας/απουσίας ειδών υδρόβιων γαστερόποδων στα νησιά της περιοχής μελέτης. Δύο διαφορετικοί αλγόριθμοι (αλγόριθμοι NETCARTO και Louvain) δοκιμάστηκαν και εκτιμήθηκε η τιμή του δείκτη δομοστοιχείωσης (Modularity Index) των δεδομένων. Οι αλγόριθμοι NETCARTO και Louvain ανίχνευσαν την παρουσία μιας και δύο ομάδων (κοινοτήτων), αντίστοιχα, με απουσία όμως ισχυρής δομοστοιχειωτής οργάνωσης. Συγκεκριμένα, η μέθοδος Louvain ανίχνευσε δύο διακριτές ομάδες, που η μια περιλαμβάνει όλα τα νησιά του ανατολικού Αιγαίου και η δεύτερη όλα τα υπόλοιπα νησιά. Αυτό το μοτίβο πιθανόν να αποτελεί ένδειξη του καθοριστικού αντίκτυπου της δημιουργίας της Μέσο-Αιγαιακής Τάφρου (ΜΑΤ), που εκτιμάται ότι συνέβη πριν από ~ 12 εκ. χρόνια, στα πρότυπα εξάπλωσης των ειδών, όπως αυτά παρατηρούνται σήμερα.
Στο Κεφάλαιο 2, επιλέχθηκαν δύο γένη υδρόβιων γαστερόποδων, το γένος Bythinella και το γένος Pseudamnicola, που ξεχώρισαν για το μεγάλο αριθμό ειδών και τα υψηλά ποσοστά ενδημισμού στην Ελλάδα για να πραγματοποιηθεί ανακατασκευή των φυλογενετικών τους σχέσεων και διερεύνηση των εξελικτικών διαδικασιών που ευθύνονται για την σημερινή κατανομή τους με τη χρήση ευρύτατα χρησιμοποιούμενων μοριακών δεικτών. Συγκεκριμένα, διεξήχθη μια φυλογεωγραφική μελέτη των δύο γενών χρησιμοποιώντας αλληλουχίες από μιτοχονδριακά γονίδια εντός του νησιού της Κρήτης, το οποίο είναι γνωστό για την περίπλοκη παλαιογεωγραφική του ιστορία. Για την Bythinella, τα αποτελέσματά μας υποστηρίζουν σθεναρά την ύπαρξη τουλάχιστον πέντε ειδών που εξαπλώνονται στην Κρήτη, τα οποία αντιστοιχούν στα ήδη περιγεγραμμένα είδη από προηγούμενες μελέτες με την προσθήκη ενός νέου και αποκαλύπτουν ένα παλιότερο χρονικό πλαίσιο διαφοροποίησης, με φαινόμενα αλλοπάτριας ειδογένεσης να είναι πιθανότατα οι κύριοι παράγοντες που διαμορφώνουν τη σημερινή κατανομή των ειδών στο νησί. Για το γένος της Pseudamnicola, τα δεδομένα μας δείχνουν την παρουσία τουλάχιστον δύο ειδών στην Κρήτη με σχετικά πρόσφατη διαφοροποίηση που ακολουθεί ένα μοτίβο απομόνωσης από απόσταση που οδήγησε σε ειδογένεση.
Στο Κεφάλαιο 3, ανακατασκευάστηκε το πρότυπο της φυλογένεσης του γένους της Pseudamnicola σε όλη τη μεσογειακή περιοχή εξάπλωσής του με τη χρήση μοριακών δεδομένων από τα ελληνικά είδη για πρώτη φορά. Η παρούσα μελέτη καταδεικνύει ξεκάθαρα τη διάκριση μεταξύ των γενών Pseudamnicola και Corrosella και απορρίπτει την παλαιότερη αντιστοίχιση του Erosiconcha geliayana καθώς και την τρέχουσα αντιστοίχιση του Pseudamnicola emilianus στο γένος Pseudamnicola. Όσον αφορά το γένος της Pseudamnicola, αυτό προκύπτει ότι διαφοροποιήθηκε αρκετά πρόσφατα κατά το τέλος του Μειόκαινου (6.53 Mya) ξεκινώντας από την Ιταλική Χερσόνησο και την περιοχή του Ιονίου πελάγους και τα κύρια γεγονότα ειδογένεσης άρχισαν να συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του Πλειστόκαινου. Δύο διαφορετικές διαδρομές εξάπλωσης του γένους υποδεικνύονται από την περιοχή προγονικής προέλευσης, μία διαδρομή δυτικά προς την Ιβηρική Χερσόνησο και τη ΒΔ Αφρική και μια δεύτερη προς τα δυτικά και τα ανατολικά προς την Ιταλία και την Ισπανία και προς το Αιγαίο Πέλαγος και την Ανατολική Μεσόγειο. Γενικά, η εκτεταμένη εξάπλωση και ο υψηλός πλούτος ειδών του Pseudamnicola σε όλη τη λεκάνη της Μεσογείου μπορεί να εξηγηθεί από την ικανότητα του γένους να εποικίζει διάφορα υδάτινα ενδιαιτήματα. Τα αποτελέσματα μας δείχνουν ότι πρόσφατα φαινόμενα διασποράς που ακολουθήθηκαν από φαινόμενα γεωγραφικής απομόνωσης ήταν ο κύριος μηχανισμός διαφοροποίησης του γένους.
Για τις φυλογενετικές αναλύσεις στα παραπάνω κεφάλαια δοκιμάστηκαν διάφοροι κοινοί μοριακοί δείκτες. Εκτός από την υπομονάδα 1 του μιτοχονδριακού γονιδίου της κυτοχρωμικής οξειδάσης (COI), δοκιμάστηκαν τα επίσης μιτοχονδριακά γονίδια 16S rRNA και κυτόχρωμα β, με τα δύο τελευταία να αδυνατούν να προσφέρουν επιπλέον γενετική πληροφορία στις αναλύσεις μας. Ωστόσο, το γονίδιο COI έδειξε επίσης αδυναμία στην πλήρη επίλυση των φυλογενετικών σχέσεων μεταξύ των διαφόρων ταξινομικών ομάδων γαστερόποδων, επομένως μια νέα προσέγγιση κρίθηκε κατάλληλη να δοκιμαστεί και να εφαρμοστεί που περιλαμβάνει τη χρήση των λεγόμενων Ultra-Conserved Elements (UCES). Τα UCEs είναι εξαιρετικά διατηρημένα τμήματα του γονιδιώματος τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν ως ρυθμιστές ή/και ενισχυτές της γονιδιακής έκφρασης και έχουν βρεθεί σε διάφορες ομάδες οργανισμών από ανθρώπους μέχρι κοράλλια και έντομα.
Με αφορμή τη δυσκολία επίλυσης των φυλογενετικών σχέσεων στα υδρόβια γαστερόποδα με τους παραδοσιακούς μοριακούς δείκτες, στο Κεφάλαιο 4, η έρευνα προσανατολίστηκε στη νέα αυτή ομάδα φυλογενομικών δεικτών, τα UCEs. Για πρώτη φορά, εξετάστηκε και επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη των υπερ–συντηρημένων αυτών στοιχείων σε γονιδιώματα υδρόβιων γαστερόποδων που ήταν κατατεθειμένα σε βάσεις δεδομένων και σε επιπλέον τέσσερα (4) γονιδιώματα που παράχθηκαν εργαστηριακά. Αφού εντοπίστηκαν τα UCEs με μεθόδους βιοπληροφορικής στα γονιδιώματα αυτά, στη συνέχεια σχεδιάστηκαν 12.092 ειδικοί RNA εκκινητές – δολώματα που στοχεύουν σε αυτές τις κοινές διατηρημένες περιοχές και δοκιμάστηκε η χρησιμότητα αυτών των δολωμάτων για τη συλλογή δεδομένων UCEs μεταξύ διαφόρων ειδών γαστερόποδων, με ιδιαίτερη έμφαση σε είδη που ανήκουν στην ομάδα των Caenogastropoda. Η ομάδα των Caenogastropoda περιλαμβάνει το 60% όλων των ζωντανών γαστερόποδων και έχει επιδείξει σημαντική προσαρμοστική διαφοροποίηση η οποία αντικατοπτρίζεται στην εξαιρετική ποικιλομορφία που παρατηρείται σε αυτή. Κατασκευάστηκαν γονιδιωματικές βιβλιοθήκες και έγινε εμπλουτισμός των UCEs χρησιμοποιώντας τους ειδικούς εκκινητές που σχεδιάστηκαν. Συνολικά, εντοπίστηκαν 1.234 UCEs γενετικοί τόποι, εκ των οποίων οι 1224 τόποι μοιράζονταν μεταξύ 24 ειδών υδρόβιων γαστερόποδων που ανήκουν σε 21 διαφορετικές οικογένειες. Η μελέτη μας κατέδειξε τη χρησιμότητα και αποτελεσματικότητα των ειδικών για γαστερόποδα UCE τόπων στην επίλυση των σχέσεων μεταξύ και εντός των κύριων κλάδων των γαστερόποδων που μέχρι τώρα παρέμεναν ανεπίλυτοι με τη χρήση παραδοσιακών μοριακών δεικτών. Τα αποτελέσματά μας επιβεβαίωσαν ότι οι τρεις κύριες ομάδες γαστερόποδων (Caenogastropoda, Neritimorpha και Heterobranchia) είναι μονοφυλετικές ομάδες με πολύ καλή στήριξη και επιπλέον, υποστηρίζουν σθεναρά την ομάδα των Neritimorpha ως αδελφή ομάδα της ομάδας των Caenogastropoda και ανακτούν την ομάδα των Heterobranchia ως αδελφή ομάδα των ομάδων Caenogastropoda και Neritimorpha.
Στο Κεφάλαιο 5, εξετάστηκε η χρησιμότητα των UCEs στην επίλυση πρόσφατων φυλογενετικών σχέσεων μεταξύ ειδών εκτός από την ήδη διαγνωσμένη δυνατότητα τους για επίλυση βαθύτερων σχέσεων ανώτερων ταξινομικών ομάδων. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η επίλυση των φυλογενετικών σχέσεων εντός του γένους της Bythinella, το οποίο είναι ένα γαστερόποδο που κατανέμεται από τη δυτική Ευρώπη (Ιβηρική Χερσόνησος) έως το δυτικό τμήμα της Ασίας και τυπικά, απαντάται σε υψηλές αφθονίες σε πηγές γλυκού νερού, αλλά και σε μικρά ρυάκια και υπόγεια ύδατα. Το γένος αυτό έχει απουσία διακριτής διαφοροποίησης οικολογικών θώκων, καθώς και μορφολογικών και ανατομικών χαρακτηριστικών, γεγονός το οποίο αποδίδεται στη μη προσαρμοστική διαφοροποίηση που μάλλον έχει υποστεί το γένος. Ως αποτέλεσμα, η οριοθέτηση ειδών στο γένος της Bythinella με βάση μόνο τα χαρακτηριστικά είτε του κελύφους είτε των μαλακών μερών του σώματος έχει αποδειχθεί ένα αμφιλεγόμενο έργο που απαιτεί την προσθήκη μοριακών δεδομένων. Στην έρευνα αυτή, χρησιμοποιήθηκαν άτομα από ευρωπαϊκά και ελληνικά είδη, έγινε ανακατασκευή των φυλογενετικών τους σχέσεων με τη χρήση των UCEs αλλά και με τον κλασικό μιτοχονδριακό δείκτη, το γονίδιο COI και στη συνέχεια, συγκρίθηκε η αποτελεσματικότητα τους. Το φυλογενετικό δέντρο που προέκυψε από τα UCEs ήταν πλήρως επιλυμένο με πολύ καλή στήριξη σε όλα τα κλαδιά πλην ενός που είχε μέτρια στήριξη, επιτυγχάνοντας να διακρίνει τα ελληνικά είδη από τα υπόλοιπα ευρωπαϊκά. Το δέντρο αυτό υπερτερεί ολοκληρωτικά έναντι του δέντρου που προέκυψε από τη χρήση δεδομένων COI, το οποίο είχε μόνο σε δύο κλαδιά καλή στήριξη (> 80%) θέτοντας έτσι τις βάσεις για την αποτελεσματική χρήση των UCEs για φυλογενετικές αναλύσεις και οριοθέτηση ειδών σε χαμηλότερο ταξινομικό επίπεδο, από την μέχρι τώρα συνήθη χρήση τους.
