Тропические океаны изобилуют ослепительным блеском и вспышками разноцветных рифовых рыб и содержат гораздо больше видов, чем холодные океанские воды высоких широт. Этот хорошо известный «широтный градиент разнообразия» - одна из самых известных закономерностей в биологии, и ученые ломали голову над его причинами более 200 лет..
Одним из часто выдвигаемых объяснений является то, что теплая среда рифов служит эволюционными горячими точками для формирования видов. Но новое исследование, в котором проанализированы эволюционные отношения между более чем 30 000 видов рыб, пришло к выводу, что самые высокие темпы формирования видов произошли в самых высоких широтах и в самых холодных водах океана.
За последние несколько миллионов лет холодноводные и полярные океанические рыбы сформировали новые виды в два раза быстрее, чем средние виды тропических рыб, согласно новому исследованию, которое запланировано к публикации 4 июля в журнале Nature..
«Эти выводы одновременно удивительны и парадоксальны», - сказал биолог-эволюционист Мичиганского университета Дэниел Рабоски, ведущий автор исследования. «Ряд гипотез объясняет чрезвычайное тропическое разнообразие результатом более быстрого формирования видов, но это никогда не проверялось на рыбах.
"Наши результаты нелогичны и неожиданны, потому что мы обнаружили, что видообразование на самом деле происходит быстрее всего в географических регионах с наименьшим видовым богатством."
Авторы признают, что не могут полностью объяснить свои результаты, которые несовместимы с идеей о том, что тропики служат эволюционной колыбелью разнообразия морских рыб. Выводы также вызывают вопросы о том, отражает ли быстрое видообразование в холодном океане, задокументированное командой, недавнее и продолжающееся расширение морского разнообразия.
Здравый смысл подсказывает, что высокая скорость образования новых видов в конечном итоге приведет к впечатляющим уровням биоразнообразия. Но это зависит от того, сколько из новообразованных видов выживет, а сколько вымрет. И темпы вымирания нельзя было определить с помощью методов, используемых в текущем исследовании..
«Количество видов, которые вы найдете в регионе, в значительной степени является балансом между скоростью, с которой формируются новые виды, и скоростью, с которой исчезновение их уничтожает», - сказал Рабоски. «Быстрое видообразование рыб в холодных, высокоширотных океанах, которое мы задокументировали, приведет к увеличению разнообразия только в том случае, если оно в целом выше, чем вымирание.
"Вымирание - это недостающая часть этой головоломки, но понять ее сложнее всего. Сейчас мы используем как окаменелости, так и новые статистические инструменты, чтобы попытаться понять, к чему могло привести вымирание в обоих полярные области и тропики."
В ходе исследования Рабоски и его коллеги из восьми учреждений проверили широко распространенное предположение о том, что темпы формирования видов самые высокие в тропиках, изучив взаимосвязь между широтой, разнообразием видов и скоростью образования новых видов среди морских рыб. Они собрали откалиброванное по времени эволюционное дерево всех 31 526 видов лучеперых рыб, а затем сосредоточили свой анализ на морских видах по всему миру.
Генетические данные были доступны для более чем одной трети видов рыб, проанализированных в исследовании, а эволюционное дерево было откалибровано по времени с использованием базы данных 139 ископаемых таксонов.
Эволюционное дерево, также известное как филогенетическое дерево, представляет собой диаграмму ветвления, показывающую предполагаемые эволюционные отношения между различными видами. По словам Рабоски, дерево, собранное для этого проекта, является одним из самых больших филогенетических деревьев с временной калибровкой, когда-либо созданных для какой-либо группы животных.
Исследователи оценили географические ареалы большинства видов морских рыб, включая все виды с генетическими данными. Затем они использовали сложные математические и статистические модели для оценки скорости, с которой различные группы рыб делятся на новые виды.
«Вычислительные задачи для анализа этих типов данных довольно сложны», - сказал соавтор исследования Майкл Альфаро, биолог-эволюционист из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. По его словам, для анализа в исследовании потребовалось эквивалентно тысячам настольных компьютеров, непрерывно работающих в течение многих месяцев.
Одни из самых высоких темпов формирования новых видов наблюдались у антарктических ледяных рыб и их родственников. Другие умеренные и полярные группы с исключительно высоким уровнем видообразования включают улиток, бельдюг и морского окуня..
Три из крупнейших групп рыб, обитающих на коралловых рифах, - губаны, ласточки и бычки - продемонстрировали низкую или умеренную скорость формирования видов.
«Тот факт, что коралловые рифы поддерживают гораздо больше видов рыб, чем полярные регионы, несмотря на эти более низкие показатели, может иметь непосредственное отношение к их долгой истории связи и способности действовать как убежище», - сказал соавтор Питер Кауман. из Центра передового опыта Исследовательского совета Австралии по изучению коралловых рифов, а ранее из Йельского университета. «Наше исследование, безусловно, рисует разнообразие коралловых рифов в новом свете».
Кто бы мог подумать, что такие взрывоопасные темпы формирования видов будут происходить в самых холодных антарктических водах, где вода буквально замерзает, а рыбам, таким как ледяная рыба, приходится иметь все виды действительно сумасшедших адаптации, чтобы жить там, как специальные белки-антифризы в их крови, чтобы не дать ей замерзнуть», - сказал Рабоски.
Рабоски - адъюнкт-профессор факультета экологии и эволюционной биологии Университета штата Массачусетс и младший куратор Зоологического музея Университета Мексики.
Авторами статьи в Nature, помимо Рабоски, Альфаро и Каумана, являются Джонатан Чанг из UM, Паскаль Тайтл и Мэтт Фридман; Лорен Саллан из Пенсильванского университета; Кристин Кашнер из Фрайбургского университета; Кристина Гарилао из Центра исследований океана им. Гельмгольца GEOMAR; Томас Нир из Йельского университета; и Марта Колл из Института морских наук в Барселоне, Испания.
Работа была частично поддержана грантами Национального научного фонда и Фонда Дэвида и Люсиль Паккард.