Кузнечики - одна из самых вездесущих групп насекомых в мире, встречающаяся повсюду: от лугов до тропических лесов, от изолированных горных хребтов до песчаных пустынь. И теперь, благодаря десятилетнему анализу генетических отношений кузнечиков, у ученых появилась самая ясная картина эволюционных путей, по которым кузнечики шли, чтобы достичь такого разнообразия, и результаты показывают, что место рождения самой обширной линии кузнечиков в Южной Америке, не Африка, как считалось ранее.
Для проведения исследования группа исследователей из Техасского университета A&M и Музея де Ла-Плата в Аргентине собрала образцы кузнечиков из 22 стран и извлекла образцы ДНК. Используя 142 вида кузнечиков, исследователи проанализировали нуклеотидные последовательности как ядерных, так и митохондриальных геномов из этих образцов, чтобы узнать, как связаны различные виды кузнечиков со всего мира. Результаты исследования, первого подобного генетического анализа Acrididae в целом, опубликованы сегодня в журнале Insect Systematics and Diversity.
«Мы использовали различия в нуклеотидах у разных видов, чтобы сделать вывод о взаимосвязях», - говорит Ходжун Сонг, доктор философии, доцент энтомологии Техасского университета A&M и ведущий автор исследования. «Например, у близкородственных видов будут одинаковые участки нуклеотидов, потому что они имеют общего предка, но у отдаленно родственных видов будет больше разных нуклеотидов."
Полученная в результате филогения - примерно похожая на генеалогическое древо, но в данном случае для Acrididae, крупнейшего таксономического семейства кузнечиков, - дает науке новое, более тонкое понимание того, как кузнечики эволюционировали. Это показывает, что кузнечики внутри Acrididae произошли от одного общего предка и диверсифицировались, но многие из признанных в настоящее время подсемейств считаются «парафилетическими», что означает, что их нельзя сузить до их собственного единственного общего предка на генеалогическом древе Acrididae.
Исторически таксономия кузнечиков была сложной из-за конвергентной эволюции, при которой организмы, не являющиеся близкородственными, приобретают сходные внешние черты и внешний вид по мере адаптации к схожим условиям. Таким образом, систематики обычно группировали неродственные виды в одни и те же группы из-за их сходных конвергентных форм тела. Между тем, часто между видами существуют лишь незначительные физические различия, что заставляет систематиков полагаться на гениталии самцов кузнечика как на главный идентификатор для дифференциации видов. Но Сонг и его коллеги говорят, что их генетический анализ предлагает новую призму, через которую таксономисты могут пересмотреть классификацию кузнечиков.
«Есть некоторые подсемейства, такие как Catantopinae и Hemiacridinae, которые на протяжении многих десятилетий считались таксономической свалкой», - говорит Сонг. «Это означает, что в этих искусственных группах накопилось много несвязанных групп. Демонстрация парафилетического характера этих групп - первый шаг к переклассификации таксономии, и мы предвидим, что в ближайшем будущем в классификации кузнечиков произойдут серьезные сдвиги».
Возможно, наиболее значительным из этих сдвигов является определение того, что общий предок кузнечиков из семейства Acrididae жил в Южной Америке, а не в Африке. Раньше ученые думали, что Acrididae произошли из Африки, потому что в Африке существует много других родственных семейств, а также потому, что южноамериканские кузнечики не были полностью изучены. Генетический анализ включал образцы восьми видов, не относящихся к Acrididae, но связанных с ними. Среди отобранных видов «внешней группы» те, которые в генетическом анализе считаются наиболее близкими родственниками, все родом из Южной Америки. Исследователи также изучили ископаемые образцы, чтобы определить возраст определенных подсемейств кузнечиков, и обнаружили, что самая ранняя расходящаяся линия внутри семейства Acrididae также в основном встречается в Южной Америке.
«Эти отношения в совокупности указывают на южноамериканское происхождение этой космополитической семьи», - говорит Сонг. «Наше откалиброванное по времени дерево показывает, что Acrididae произошли в палеоцене кайнозойского периода, 59,3 миллиона лет назад».
На тот момент истории континенты Южной Америки и Африки уже были разделены, но ближе по сравнению с их нынешним положением, а северная часть Африки была покрыта влажными тропическими лесами, как и регион Амазонки в Южной Америке. Сонг и его коллеги предполагают, что единственный предок Acrididae сначала отделился от своих родственников в Южной Америке, а затем пересек Атлантику около 57 миллионов лет назад. Эти «колонисты» кузнечиков нашли подходящую среду обитания в Африке, а затем быстро расселились и диверсифицировались по Африке, Европе и Азии. После этого генетический анализ указывает, по крайней мере, на три последовательных случая реколонизации, когда кузнечики вернулись в Северную Америку, способствуя их глобальному распространению и диверсификации.
Учитывая культовый статус кузнечиков среди насекомых, Сонг говорит, что был удивлен, что никто ранее не пытался построить филогению Acrididae с помощью молекулярно-генетических методов. Новые усилия стали возможными благодаря грантам, выданным в 2008 году Национальным научным фондом Сонга для исследования эволюции прямокрылых, отряда насекомых, включающего кузнечиков и их родственников, таких как саранча, сверчки и кузнечики. Прежде чем такой филогенетический проект может начаться, необходимы годы полевых работ для сбора широкого спектра необходимых образцов видов, в том числе при участии международных сотрудников.
«Не будет преувеличением сказать, что на это исследование ушло 10 лет, - говорит Сонг. «Этот тип исследования требует обширной выборки таксонов, чтобы должным образом представить известное разнообразие, что, вероятно, является самым сложным, но и самым захватывающим аспектом любого крупномасштабного филогенетического исследования».
Acrididae, как известно, насчитывает около 6 700 видов. Таким образом, несмотря на то, что новый генетический анализ является наиболее подробным в отношении семейства кузнечиковых, виды, которые были отобраны, составляют лишь 2 процента от всего разнообразия Acrididae. Сонг говорит, что он и его коллеги очень хотят продолжить генеалогическое древо кузнечиков.
"Мы планируем увеличить выборку таксонов в будущем и использовать больше филогенетических маркеров для построения более полной филогении. В то же время мы планируем переклассифицировать основные группы внутри семейства, чтобы классификация отражала монофилетические группы., " он говорит.