Две противоположные эволюционные силы объясняют наличие двух разных цветов яиц пятнистой саламандры в прудах в Пенсильвании, согласно новому исследованию, проведенному биологом из штата Пенсильвания. Понимание процессов, поддерживающих биологическое разнообразие диких популяций, является центральным вопросом биологии и может позволить исследователям предсказать, как виды будут реагировать на глобальные изменения.
Пятнистые саламандры (Ambystoma maculatum) - широко распространенный вид, который встречается на востоке США и весной возвращается во временные водоемы для размножения. Самки саламандр откладывают яйца скоплениями, называемыми яичными массами, которые либо непрозрачно-белые, либо совершенно прозрачные. Самки откладывают яйца одного цвета на протяжении всей своей жизни, но неясно, что вызывает различную окраску, или дает ли какой-либо из этих цветов преимущество яйцам - например, если один цвет менее заметен для хищников.
«Обычно мы думаем об эволюции, протекающей в течение сотен или тысяч лет, но на самом деле эволюционные процессы в системе могут влиять на каждое поколение животных», - сказал Шон Гири, научный сотрудник Eberly Postdoctoral Research в Пенсильванском университете. и руководитель исследовательской группы. «В этом исследовании мы повторно обследовали пруды, которые первоначально изучались в начале 1990-х годов, что дало нам уникальную возможность изучить эволюционные процессы, которые формируют частоты двух типов окраски яичной массы, или морфов, которые мы наблюдаем сегодня».
Giery провел повторное обследование сети из 31 пруда в центральной Пенсильвании, отметив цвет массы яиц саламандры, а также экологические характеристики в каждом пруду. Первоначально пруды были обследованы в 1990 и 1991 годах тогдашним профессором биологии штата Пенсильвания Биллом Дансоном и его учениками. Новое исследование появится 14 апреля в журнале Biology Letters.
Исследовательская группа обнаружила, что размеры популяции саламандр и химический состав пруда оставались стабильными в течение последних трех десятилетий. При усреднении по региону общая частота каждой морфы цвета яйца также оставалась неизменной - около 70% массы белых яиц как в 1990, так и в 2020 году, - но во многих случаях частота в отдельных прудах резко менялась..
«В масштабе отдельных прудов это чрезвычайно динамичная система», - сказал Гири. «Они не просто достигают одной частоты и остаются на ней. Сосредоточив внимание на отдельных прудах, а не только на регионе в целом, мы могли бы понять, что движет этими изменениями в частотах популяции. В этом случае мы обнаружили два противоположных эволюционных процесса. - отбор и дрейф."
Исследователи обнаружили явные признаки эволюционного процесса, называемого генетическим дрейфом, который может привести к случайному изменению частоты морфинга. В небольших популяциях дрейф, скорее всего, окажет серьезное влияние, например, при полном исчезновении одной из морф. Как и ожидалось, из-за дрейфа исследователи обнаружили, что частоты каждой морфы менялись более резко в прудах с меньшим количеством яиц.
«Однако ни один из прудов полностью не перешел к той или иной морфе, что предполагает, что может происходить что-то еще», - сказал Гири. «Мы обнаружили, что пруды в экстремальных условиях в 1990-х годах - с высокой частотой прозрачной или высокой массой белых яиц - стали менее экстремальными, сместившись в сторону общего среднего значения для региона. Это подтверждает идею о том, что «уравновешивающий отбор» является работает в этой системе."
Сбалансированный отбор - это тип естественного отбора, который может помочь сохранить несколько признаков или морфов в популяции. По словам Гири, одно из возможных объяснений уравновешивающего отбора по цвету яичной массы состоит в том, что редкая морфа в пруду - независимо от фактического цвета - имеет преимущество, которое может привести к тому, что редкая морфа станет более распространенной. Другая возможность заключается в том, что белая морфа имеет преимущество в одних прудах, тогда как прозрачная морфа имеет преимущество в других, и перемещение саламандр между прудами приводит к сохранению обеих морф.
«В конечном итоге мы обнаружили противоречие между этими двумя эволюционными процессами, когда генетический дрейф потенциально ведет к сокращению разнообразия в этой системе, а уравновешивающий отбор поддерживает его», - сказал Гири.
В настоящее время исследователи изучают массу яиц в прудах за пределами Пенсильвании, чтобы выяснить, отличаются ли частоты морфов в других регионах и действуют ли эти эволюционные процессы одинаково в более широком масштабе.
«Хотя в этом исследовании мы не увидели связи между цветом яичной массы и характеристиками окружающей среды, вполне возможно, что характеристики окружающей среды в более широком масштабе могут определять оптимальную частоту для каждого региона», - сказал Гири. «Глядя на гораздо больший масштаб, мы можем лучше понять, существуют ли региональные оптимумы и как они поддерживаются. Понимание процессов, поддерживающих биологическое разнообразие, может в конечном итоге помочь нам предсказать, как дикие животные будут адаптироваться в нашем меняющемся мире».