Когда натуралист Чарльз Дарвин ступил на Галапагосские острова в 1835 году, он встретил птицу, которая породила революционную теорию о происхождении новых видов. От острова к острову у вьюрков был очень разнообразный дизайн клюва, что отражало их разнообразный рацион. Так называемые зяблики Дарвина являются эмблемой адаптивной радиации, которая описывает, когда организмы одной линии развивают разные приспособления в ответ на конкурентов или хищников.
Ученые считают, что адаптивная радиация создает большую часть биоразнообразия на Земле, однако большинство исследований сосредоточено на группах, которые уже диверсифицировались. Новое исследование использовало противоположный подход.
Биологи из Университета Юты экспериментально запустили адаптивную радиацию; они использовали специфических паразитов-хозяев, выделенных на отдельных «островках» голубей. Ученые показали, что потомки одной популяции перьевых вшей быстро адаптировались в ответ на прихорашивание, основную защиту голубей. Они обнаружили, что приведение в порядок приводит к быстрому и расходящемуся маскированию перьевых вшей (Columbicola columbae), передающихся разноцветным сизым голубям (Colombia livia). За четыре года и 60 поколений вши развили наследуемые цветовые различия, охватившие весь цветовой диапазон рода вшей, обнаруженного у 300 видов птиц по всему миру.
«Изменения в цвете, которые мы наблюдали, такие же светлые, как у самых светлых видов, и такие же темные, как у самых темных видов во всем роде - и этот род развивался миллионы лет», - сказала Сара Буш, доцент. по биологии в U и ведущий автор статьи.«Изменения и отбор, которые происходят изо дня в день, - это те же закономерности, которые мы наблюдаем на протяжении миллионов лет».
Это первое исследование, показывающее, что эволюционные изменения, произошедшие в пределах одного вида (микроэволюция), перекликаются с изменениями цвета у разных видов, которые разошлись миллионы лет назад (макроэволюция).
«Люди уже давно пытаются соединить микро- и макроэволюцию», - сказал Дейл Клейтон, профессор биологии Университета США и соавтор статьи. «Это исследование действительно делает это. Это большое дело».
Исследование опубликовано онлайн 5 марта в журнале Evolution Letters.
Остров паразитов
Адаптивное излучение известно на архипелагах. От гавайских серебряных мечей до карибских ящериц линии растений и животных быстро диверсифицируются, когда океан ограничивает поток генов и перемещение между формами рельефа. Паразиты ограничены отдельными видами хозяев и, вероятно, адаптируются и диверсифицируются, как организмы, ограниченные островами. Защита хозяина, по-видимому, является основной движущей силой адаптивной радиации у паразитов, однако ученые никогда не проверяли эту гипотезу экспериментально.
Команда работала с системой хозяин-паразит, с которой было легко манипулировать: сизые голуби (C. livia) и их перьевые вши (C. columbae). Вши размером с кунжутное семя - специалисты по перьям; они никогда не касаются кожи птицы и имеют специальные кишечные бактерии, которые переваривают богатые кератином пуховые перья. Голуби в основном защищаются, прихорашиваясь, а вши прячутся от любопытных клювов, подбирая цвет перьев - стратегия, известная как загадочная окраска.
Чтобы проверить, влияет ли прихорашивание на эволюцию загадочной окраски, команде нужно было доказать, что происходят три вещи: во-первых, что изменение цвета было вызвано избирательным давлением. Во-вторых, существовала генетическая изменчивость для разных цветовых фенотипов. В-третьих, изменение цвета должно быть наследственным, передаваться от родителей к потомству.
Очищение - это избирательное давление? Генетическая вариация? Проверить
Во-первых, биологи показали, что птицы визуально чистили вшей. Они подозревали, что дело обстоит именно так - в 2010 году Буш руководил исследованием, которое выявило, что у птиц со светлым оперением есть вши светлого окраса, а у птиц с темным оперением - вши темного цвета. Для текущего исследования биологи начали с одной популяции перьевых вшей и покрасили их спины краской, похожей на лак для ногтей: половину черной краской, а половину белой краской. Затем они равномерно распределили вшей среди восьми черных голубей и восьми белых голубей, дали птицам прихорашиваться в течение 48 часов, прежде чем подсчитать, сколько черных и белых вшей осталось на голубях.
Они обнаружили, что вши, окрашенные в «неправильный» цвет - черные вши на белых перьях и наоборот - на 40% чаще чистятся, чем вши загадочной окраски. Затем они провели тот же эксперимент, но с черными и белыми голубями, которые не могли прихорашиваться из-за того, что носили на клювах безвредные пластиковые кусочки. Через 48 часов они обнаружили, что у птиц с нарушенным прихорашиванием не было разницы между скрытыми и заметными вшами в перьях. Это продемонстрировало, что прихорашивание действительно было селективным давлением на выживание вшей.
Чтобы проверить, выбирает ли прихорашивание разные цвета вшей, они заразили неокрашенными вшами 96 свободных от вшей сизых голубей: 32 белых, 32 черных и 32 серых голубя получили по 25 вшей каждый. В пределах каждого цвета половина птиц прихорашивалась нормально, в то время как половина носила приспособления, которые мешали чистке. Вши держались на этих птицах на протяжении всего эксперимента - четырех лет, в результате чего было получено около 60 поколений потомства. Каждые шесть месяцев биологи брали образцы вшей и фотографировали их, чтобы проанализировать светимость (относительную яркость или темноту) паразитов, а затем помещали их обратно на птиц.
Яркость вшей на белых и черных голубях существенно изменилась по сравнению с окраской вшей на контрольных серых голубях - вши на белых голубях стали значительно светлее, а на черных - темнее. К концу эксперимента самые легкие вши на белых голубях были такими же светлыми, как и самые легкие виды вшей во всем роду.
«Посмотрите на диапазон цветов. Я имею в виду, что он просто поразил! Цветовой диапазон перекрывается с другими видами вшей всего за четыре года», - сказал Клейтон. «По сравнению с эволюционным временем это даже не взмах ресниц».
Передается ли изменение цвета по наследству? Проверить
Чтобы проверить, являются ли изменения окраски наследственными, Буш и его команда должны были убедиться, что потомство вшей было похоже по цвету на своих родителей. Они взяли вшей у 12 голубей, которые могли нормально прихорашиваться, и поместили их на серых голубей для размножения. Во-первых, им нужно было отличить родителей от потомства.
Итак, они сделали вшам крошечные стрижки. Со-ведущий автор Скотт Вилья, бывший исследователь с докторской степенью в Университете Эмори, а теперь научный сотрудник с докторской степенью на факультете биологии в Университете Эмори, навсегда пометил родительских вшей, используя крошечные ножницы для обрезки крошечных щетинок, называемых щетинками, с одной стороны. вшей. Затем они поместили вшей с этими уникальными стрижками на 12 серых голубей с нарушением прихорашивания и ждали 48 дней. Затем они сфотографировали и проанализировали окраску обоих родителей, а позже и потомства, у которого не было стрижки.
Яркость родителей сильно коррелировала со светимостью потомства, а это означает, что цвет передавался по наследству.
Воздействие не ограничивается вшами
Хотя ученые ожидали, что прихорашивание в конце концов вызовет у вшей разный камуфляж, они были удивлены тем, насколько быстро произошли изменения. Это, вероятно, относится к другим патогенам, которые диверсифицируются в ответ на защитные механизмы хозяина, включая патогены человека, реагирующие на нашу иммунную систему.
"Самое интересное в этом проекте то, что то, что мы наблюдаем с точки зрения эволюционной реакции, не уникально для вшей, это применимо ко всему, что имеет ДНК", - сказал Буш.
Биологи работают над вторым экспериментом, в ходе которого они помещают перьевых вшей на породы голубей разного размера, чтобы увидеть, выявляет ли прихорашивание вшей разного размера. Вши могут эволюционировать в настолько разные размеры, что они не могут спариваться, что является важным шагом в происхождении нового вида. Оставайтесь с нами.
Хуан С. Алтуна и Майкл Д. Шапиро из Школы биологических наук Университета штата Юта, а также Кевин П. Джонсон из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн также внесли свой вклад в это исследование. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом DEB-0107947 и DEB-1342600.