После шестичасовой поездки по все более коварным дорогам Леоноре Биттлстон потребовался целый день подъема почти на 3000 футов, чтобы добраться до лагеря Непентес в бассейне Малиау, возвышающемся заповеднике на малайзийском Борнео с богатыми, изолированная экосистема тропического леса.
После трех лет ожидания получения разрешений Биттлстон, в то время аспирант Гарвардского университета, вошел в бассейн в поисках одной вещи: кувшинных растений. Эти плотоядные растения разработали ловушки, чтобы заманивать, топить и переваривать добычу животных, чтобы пополнить бедные питательными веществами почвы.
Биттлстону понадобились образцы жидкости внутри кувшинов, чтобы сравнить их с растениями из кувшинов из гораздо более близкого к дому штата Массачусетс и вдоль побережья Мексиканского залива. Хотя они и не были связаны между собой, оба семейства растений сошлись на схожих приспособлениях для ловли добычи, и Биттлстон хотел знать, так ли похожи сообщества микробов и мелких животных, размещенные в каждом наполненном жидкостью кувшине, как и сами ловушки..
В новом исследовании, опубликованном 28 августа в журнале eLife, профессор ботаники и бактериологии Университета Висконсин-Мэдисон Энн Прингл и другие ученые из Биттлстона показывают, что сообщества, созданные внутри растений-кувшинов, сходятся так же, как форма и функции это делают сами растения. Несмотря на то, что они разделены континентами и океанами, кувшины, как правило, являются домом для живых сообществ, более похожих друг на друга, чем на окружающую среду.
Азиатские кувшины, пересаженные в болота Массачусетса, могут даже настолько хорошо имитировать местных жителей, что комар-кувшин - специализированное насекомое, которое эволюционировало, чтобы завершить свой жизненный цикл исключительно в кувшинах Северной Америки, - откладывает яйца в самозванцев.
Исследователи говорят, что эта работа дает гораздо более богатую картину того, как конвергенция может выходить далеко за рамки относительно простых функциональных ролей, таких как плотоядность растений, и включать сеть взаимодействий между различными видами, которые развиваются в родственных условиях. Биттлстон и Прингл сотрудничали с Наоми Пирс из Гарварда, а также с исследователями из Малайзийского университета Сабах, Университета Малайи и Университета Цзянсу.
Растения-кувшины являются классическими примерами конвергентной эволюции, когда неродственные организмы, тем не менее, приспосабливаются к окружающей среде. Наряду с ловушками для венериных мух и другими плотоядными растениями, растения-кувшины также захватывают воображение, переворачивая столы на животных, когда они их пожирают.
Но, несмотря на этот ужасный образ, растения-кувшины служат не только смертельными ловушками, но и сами по себе являются экосистемами. В каждом наполненном жидкостью кувшине живут разнообразные микробы и даже сложные живые организмы и насекомые, которые не перевариваются. Именно эти сообщества привлекли внимание Pringle и Bittleston.
«Мы часами говорили о том, как будет выглядеть конвергентная экосистема», - говорит Прингл, которая начала исследование, когда работала в Гарварде. «Мы обсуждали идею о том, что подобные взаимодействия между видами могут возникать снова и снова».
Растения-кувшины были естественной моделью для проверки этих идей. Ловушки по существу стерильны, прежде чем они открываются. Тем не менее, в течение жизни отдельного кувшина они, казалось, курировали предсказуемые сообщества микробов и мелких беспозвоночных. Это навело Прингла и Биттлстона на мысль, что кувшины создали постоянные условия, которые неоднократно выбирались для подобных сообществ. Поскольку кувшины из Юго-Восточной Азии и Северной Америки были так внешне похожи, исследователи задались вопросом, будут ли их миниатюрные экосистемы такими же.
Это был сложный исследовательский проект, который требовал сбора образцов в густых, часто недоступных болотах. Биттлстон побывал в охраняемых государством районах на побережье Мексиканского залива и на болотах в Гарвардском лесу, чтобы собрать образцы североамериканских видов. И вдобавок к походу в бассейн Малиау она собирала жидкость из кувшинов в охраняемых парках Сингапура, сравнительно легкое, но запоминающееся приключение.
«Были времена, когда я ехал в этом очень чистом сингапурском метро в полевой одежде, очень вспотевший, с большими сумками, полными пробирок с образцами кувшинных растений», - говорит Биттлстон, который сейчас является исследователем с докторской степенью в Массачусетском университете. Технологический Институт. «Значит, это была забавная сцена».
Имея в руках более 330 образцов 14 видов, исследователи использовали передовую технологию секвенирования генов, чтобы получить снимок различных видов, живущих внутри кувшинов, а также видов, обнаруженных в близлежащих образцах почвы и воды.. При анализе количества и типа видов, а также сходства в структуре сообщества выявились некоторые четкие закономерности.
В то время как образцы окружающей среды содержали большое количество различных видов, жидкость в обеих группах растений-кувшинов имела значительно меньшее разнообразие, что указывает на более специализированную среду. А виды, обитавшие в кувшинах, как правило, происходили из одних и тех же семейств. Как в Юго-Восточной Азии, так и в Северной Америке кувшины значительно обогащены бактериальными организмами, такими как Actinomycetales или Enterobacteriaceae, а также насекомыми из отряда мух и микроскопическими фильтрующими животными, называемыми коловратками.
Исследователи также поставили полевой эксперимент, транспортируя горшечные кувшины из Юго-Восточной Азии на болота в Гарвардском лесу и наблюдая, как развивались сообщества кувшинов.
«И на самом деле, виды Юго-Восточной Азии собрали сообщества, которые выглядели как сообщества Северной Америки», - говорит Прингл. "Это круто."
Одним из ярких примеров этого сходства было присутствие личинок комаров кувшинного растения, обычно встречающихся исключительно в североамериканских кувшинах, в неместных азиатских кувшинных растениях. Только самые кислые азиатские кувшины были негостеприимны для этого специализированного насекомого.
Вместе с растениями-кувшинами Биттлстон поставил пробирки, имитирующие цилиндрическую форму кувшинов. Подобно кувшинам, эти пробирки собирали дождевую воду и начинали формировать миниатюрные экосистемы. Но биологические сообщества в собранных пробирках немного отличались от естественных кувшинов, и пробирки никогда не обманывали комаров, которые держались подальше от них.
«Недостаточно быть пассивным резервуаром, собирающим дождевую воду и некоторых утонувших насекомых», - говорит Биттлстон. «На самом деле есть что-то особенное в том, чтобы быть этим конвергентно эволюционировавшим организмом, создающим особую среду, которая курирует конкретное сообщество».
Работа поддерживает идеи Биттлстона и Прингла, развитые в предыдущей работе: взаимодействие между разными видами может конвергировать в ходе эволюции так же, как формы и функции отдельных видов.
«Эти кувшины эволюционировали независимо друг от друга, это два очень разных семейства растений, но они взаимодействуют с микробными сообществами, которые они собирают внутри себя, схожим образом», - говорит Прингл.«И мы обнаружили, что эти взаимодействия в некотором роде предсказуемы».