Удаленные острова: ключ к пониманию эволюции

Удаленные острова миллионы лет были очагами биоразнообразия, где процветали уникальные виды. Ученые предлагали разные теории, объясняющие колонизацию и эволюцию животных и растений на островах, но проверка идей о процессах, происходящих в течение длительных временных масштабов, всегда была сложной задачей.

Современные методы секвенирования ДНК, 3D-визуализации и вычислений открыли новые возможности для исследования исторических процессов. В новом исследовании, опубликованном в Evolution, ученые из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Университета Рюкю исследовали эволюционные и экологические изменения у муравьев на архипелаге Фиджи в южной части Тихого океана, чтобы проверить спорную теорию об эволюции на островах.

«Острова, такие как Фиджи, которые малы и удалены, действуют как идеальные естественные лаборатории для изучения взаимодействия экологических и эволюционных процессов», — сказал доктор Конг Лю, первый автор и бывший аспирант подразделения OIST по биоразнообразию и биосложности. «Но до недавнего времени исследований муравьев было не так много».

Команда сосредоточилась на муравьях-ловушках рода Strumigenys, который имеет наибольшее количество видов муравьев на Фиджи. Они собрали множество образцов этих муравьев во время экспедиции на Фиджи в 2007 году.

Исследователи стремились проверить, насколько хорошо изменения во внешнем виде и распространении муравьев-ловушек со временем соответствуют теории, называемой гипотезой таксон-цикла. Согласно этой теории, виды проходят предсказуемый «жизненный цикл» колонизации, расширения ареала, сокращения и (иногда) вымирания, после чего цикл возобновляется новым колонизатором.

Расшифровка стадии колонизации

Ученые выделили и секвенировали ДНК эндемичных для архипелага Фиджи видов Strumigenys — то есть тех, которые встречаются только на этих островах. Команда также включила образцы их более широко распространенных родственников. На основе последовательностей ДНК ученые построили эволюционное дерево, показывающее степень родства всех видов.

«Мы обнаружили, что все 14 эндемичных для Фиджи видов муравьев-ловушек произошли от одного первоначального колонизатора, а не от нескольких», — объяснил доктор Лю.

Эти результаты противоречат ожиданиям от гипотезы таксон-цикла, которая предсказывает прибытие более поздних колонизаторов и запуск новых циклов радиации и сокращения.

«Есть несколько причин, по которым повторные колонизации могли не произойти», — сказал доктор Лю. Он объяснил, что первые колонизаторы могли диверсифицироваться и занять все ниши, закрыв дверь для новичков. Или, возможно, архипелаг Фиджи настолько удален, что дополнительные колонизаторы просто не прибыли.

Изучение стадии радиации

Согласно гипотезе таксон-цикла, вид сначала колонизирует остров, а затем претерпевает огромное расширение ареала, специализируясь на доступных нишах в каждой среде обитания.

Когда ученые изучили распространение 14 эндемичных для Фиджи видов муравьев-ловушек, они обнаружили, что вскоре после колонизации исходная линия разделилась на две: одна дала начало видам, обитающим в низменностях, а другая — видам в возвышенностях.

Затем ученые измерили ключевые морфологические особенности муравьев, чтобы определить, установили ли они свои ниши посредством адаптивной радиации. «Адаптивная радиация часто происходит на островах, самым знаковым примером являются зяблики Дарвина», — сказал доктор Лю. «Этот внезапный взрыв численности, разнообразия и внешнего вида часто обусловлен большим количеством пустых ниш, к которым муравьи могут адаптироваться из-за отсутствия конкурентов или хищников».

Ученые использовали микро-КТ-сканеры для создания 3D-моделей каждого фиджийского вида муравьев. Они также измерили размер тела, челюстей (мандибул) и глаз муравьев.

«Мы увидели четкую диверсификацию формы, связанную с нишами, которые они занимают, что явно было результатом адаптивной радиации», — сказал доктор Лю. В целом, муравьи из горной линии эволюционировали с более крупными телами, что позволяло им ловить более крупную добычу. У этих муравьев также развились более короткие мандибулы, определяющие способ охоты.

Погружение в стадию сокращения

Гипотеза таксон-цикла предсказывает, что со временем, по мере адаптации видов ко все более специализированным нишам, размер их популяции и диапазон среды обитания сокращаются. Эти предсказания подтвердились только для фиджийских муравьев-ловушек, обитающих в возвышенностях.

Команда обнаружила, что популяции горных видов муравьев со временем сократились в численности и имели большие генетические различия между популяциями, что позволяет предположить, что они были менее способны расселяться и размножаться по всему архипелагу Фиджи.

Эта потеря конкурентной способности увеличивает уязвимость этих более старых, более специализированных муравьев, которым в настоящее время угрожает обезлесение — серьезная экологическая проблема на Фиджи. «Поскольку эти эндемичные виды занимают небольшую географическую область и имеют ограниченную способность к расселению, обезлесение может быстро привести к их вымиранию», — сказал доктор Лю.

Команда теперь планирует применить свой подход, сочетающий популяционную геномику, филогенетику и морфологические исследования, ко всем видам муравьев на Фиджи.

Доктор Лю отметил, что до сих пор неясно, насколько данные по муравьям-ловушкам соответствуют гипотезе таксон-цикла. Это исследование, а также опубликованное в прошлом году исследование рода фиджийских муравьев Pheidole, «дали лишь частичную поддержку» гипотезе. «Необходимо больше данных, чтобы определить, следует ли эволюция на этих островах этим предсказуемым стадиям или это более случайный процесс, который каждый раз отличается».