Древняя космополитическая линия растений переворачивает представление ученых о том, как быстро виды эволюционируют в экосистемах умеренного пояса и почему.
Многие исследователи считают, что новые виды развиваются в тандеме с развитием различных физических характеристик и появлением новых видов среды обитания. В этом сценарии эти три фактора дополняют друг друга, что может привести к резкому увеличению числа новых видов. Этот всплеск диверсификации в конечном итоге сходит на нет, поскольку виды конкурируют друг с другом во все более перенаселенной среде, очень похожей на насыщенный рынок.
Эта гипотеза подтвердилась в нескольких исследованиях тропических организмов, но новое исследование, проведенное учеными Флоридского музея естественной истории, выявило совершенно иную закономерность у видов умеренных широт, организмов, которые живут в районах с теплым летом и холодной зимой.
Когда исследователи изучили эволюцию большой линии цветковых растений, известных как Saxifragales, они обнаружили, что виды диверсифицировались в первую очередь под влиянием похолодания климата Земли 15 миллионов лет назад. Эти растения вторглись в новые места обитания и развили новые физические черты, но только через 5 миллионов лет.
«То, что мы наблюдаем, является эволюционным паттерном, которого никогда раньше не наблюдалось - и в районах мира, которые обычно считаются хорошо изученными», - сказал Райан Фолк, ведущий автор исследования и научный сотрудник Музея Флориды. «Здесь действуют другие правила, чем в тропических группах. Скорость разнообразия, среда обитания и черты в конечном итоге совпали, но было заметное отставание, прежде чем последние два взлетели."
Сегодня Saxifragales представляет собой группу из почти 2 500 видов, в которую входят такие деревья, как камедь и кацура, кустарники, такие как крыжовник, суккуленты, такие как очитки, травы, лианы, растения-паразиты и декоративные растения, такие как коралловые колокольчики и пионы.. Эта линия растений процветает в регионах с умеренным климатом: в то время как во всех тропических лесах на Земле насчитывается менее двух десятков видов Saxifragales вместе взятых, в Гималаях и Тибете может быть 150 видов Saxifragales на 50 квадратных миль. По словам Фолка, его глобальное распространение и надежная летопись окаменелостей, насчитывающая 90 миллионов лет, сделали эту родословную хорошим кандидатом для проверки моделей эволюционных процессов.
Фолк и его соавторы объединили генетические данные с наборами данных о признаках растений и средах обитания и включили эти данные в модели для изучения закономерностей эволюции камнеломковых с течением времени. Модели показали, что в течение десятков миллионов лет камнеломки оставались малорослыми, добывая себе пропитание в более холодных регионах на полюсах и на больших высотах - скудных местах обитания на преимущественно тропической Земле прошлого. Однако когда 15 миллионов лет назад климат на планете начал остывать, камнеломки процветали, и родословная быстро диверсифицировалась.
Тенденция к похолоданию продолжалась, превращая когда-то тропические места обитания в умеренные, для которых хорошо подходили холодолюбивые растения, и создавая более экстремальные места обитания, в которых могли обитать некоторые виды Saxifragales после того, как развились новые черты, которые снабдили их суровыми климатическими условиями. условия выращивания.
«Это начало ландшафта, который мы видим сегодня - покрытые льдом полюса, умеренные леса Северного полушария, обширные луга, пустыни, тундра и тайга», - сказал Фолк. «По мере быстрого расширения ареалов умеренного пояса камнеломки диверсифицировались, чтобы воспользоваться преимуществами местообитаний, к которым они уже были адаптированы».
Но важно отметить, что первоначальный всплеск разнообразия Saxifragales не был результатом изменений в среде обитания или адаптации признаков и предшествовал этим изменениям на миллионы лет. Вместо этого диверсификация была в первую очередь связана с изменением климата.
«Если вы посмотрите на падение глобальной температуры и увеличение разнообразия Saxifragales, то поразительно, насколько близко они совпадают», - сказал Фолк. «Эти кривые почти полностью противоположны друг другу».
Понимание того, как виды реагировали на изменение климата в прошлом, предлагает шаблон того, как они, вероятно, будут реагировать при будущих климатических сценариях, сказал Фолк.
«Эти растения с самого начала произрастали в умеренных широтах», - сказал он. «Если температура повысится, они не просто адаптируются. Я считаю, что у большинства видов растений будет мало возможностей адаптироваться к резким изменениям климата».
Классические представления об основных движущих силах видового разнообразия часто зависят от геологических событий - например, образования сухопутного моста между Северной и Южной Америкой или отделения Индийского субконтинента от Африки. Но климат - это не единичное событие, сказал Фолк: «Это динамическая кривая."
Одна из причин, по которой эволюционные процессы в умеренных и тропических системах могут различаться, заключается в их разнице в возрасте. По словам Фолка, многие из знакомых сегодня ландшафтов умеренного пояса являются недавними разработками, вызванными экологическими потрясениями и разрушениями. Хотя тропические ландшафты также претерпели изменения, они стали более стабильными.
«Вероятно, тропические леса на экваторе существовали с начала мелового периода (около 145 миллионов лет назад)», - сказал он. «Такой стабильности просто не существует для умеренных сред обитания».
До сих пор диверсификация Saxifragales не показала никаких признаков замедления, что противоречит гипотезе о том, что взрыв новых видов в конечном итоге иссякает, поскольку они заполняют новые места обитания до точки насыщения.
Фолк надеется, что исследование побудит исследователей искать эту закономерность в эволюции других умеренных линий, как растений, так и животных.
"Если мы ищем сигналы действительно недавних всплесков, большая часть действий происходит в экосистемах умеренного пояса."
Другими соавторами исследования являются Нико Целлинезе, Памела Солтис, Дуглас Солтис и Роберт Гуральник из Флоридского музея и Института биоразнообразия Университета Флориды, Ребекка Стаббс из Цюрихского университета, Марк Морт из Канзасского университета и Джули Аллен из Университета Невада-Рино.