На протяжении миллионов лет отдаленные острова были очагами биоразнообразия, где процветали уникальные виды. Ученые предлагали различные теории, чтобы объяснить, как животные и растения колонизируют и развиваются на островах, но проверка идей о процессах, происходящих в долгосрочных масштабах, всегда была сложной задачей.
В последнее время передовые методы секвенирования ДНК, трехмерного изображения и вычислений открыли возможности для исследования исторических процессов. В новом исследовании, опубликованном в журнале Evolution, ученые из Окинавского института науки и технологий последипломного университета (OIST) и сотрудники из Университета Рюкю изучили эволюционные и экологические изменения муравьев на южно-тихоокеанском архипелаге Фиджи, чтобы проверить противоречивую теорию как эволюция происходит на островах.
«Острова, такие как Фиджи, небольшие и удаленные, действуют как идеальные естественные лаборатории для изучения взаимодействия между экологическими и эволюционными процессами», - сказал д-р Конг Лю, первый автор и бывший аспирант из OIST Biodiversity and Biocomplexity. Ед. изм. «Но до недавнего времени не проводилось много исследований муравьев».
Команда сосредоточилась на муравьях-ловушках Strumigenys, роде с наибольшим количеством видов муравьев на Фиджи. Они собрали множество экземпляров муравьёв-ловушек во время экспедиции на Фиджи в 2007 году.
Исследователи намеревались изучить, насколько хорошо изменения во внешнем виде и распределении, наблюдаемые у муравьев-ловушек с течением времени, согласуются с теорией, называемой гипотезой цикла таксонов, которая описывает, как виды колонизируют и развиваются на островах. Согласно этой теории, виды проходят через предсказуемый «жизненный цикл» колонизации, расширения географического ареала, упадка и (иногда) вымирания, после чего этот цикл возобновляется новым колонизатором.
Прохождение стадии колонизации
Ученые извлекли и секвенировали ДНК видов Strumigenys, эндемичных для фиджийского архипелага, другими словами, они встречаются только на этих островах. Команда также включила образцы муравьёв-ловушек, более региональных и глобальных родственников. На основе последовательностей ДНК ученые построили эволюционное древо, показывающее, насколько тесно связаны между собой все виды.
«Мы обнаружили, что все 14 видов муравьев-ловушек, эндемичных для Фиджи, произошли от одного первоначального колонизатора, а не от нескольких колонизаторов», - объяснил доктор Лю.
Эти результаты противоречат тому, что можно было бы ожидать в соответствии с гипотезой цикла таксонов, которая предсказывает, что прибывают более поздние колонизаторы и запускают циклы радиации и упадка новых таксонов.
«Есть несколько причин, по которым повторные колонизации могли не происходить», - сказал доктор Лю. Он объяснил, что первые колонизаторы-ловушки могли диверсифицироваться и занять все ниши, закрыв дверь для любых новичков. Или, возможно, добавил он, фиджийский архипелаг настолько удален, что новые колонизаторы никогда не прибывали.
Выявление стадии радиации
Согласно гипотезе цикла таксонов, вид сначала колонизирует остров, а затем претерпевает огромное расширение ареала, специализируясь на доступных нишах в каждой среде обитания.
Когда ученые изучили распределение 14 эндемичных для Фиджи видов ловчих челюстей, они обнаружили, что вскоре после колонизации первоначальная линия разделилась на две части, одна из которых дала начало видам, живущим в низинных местообитаниях, а другая давая начало видам в горных местообитаниях.
Затем ученые измерили ключевые морфологические особенности муравьев, чтобы определить, создали ли они свои ниши с помощью адаптивной радиации.«Адаптивная радиация часто возникает на островах, наиболее ярким примером из которых являются вьюрки Дарвина», - сказал доктор Лю. «Этот внезапный взрыв изобилия, разнообразия и внешнего вида часто происходит из-за большего количества пустых ниш, к которым могут приспособиться муравьи, из-за отсутствия конкурентов или хищников».
Учёные использовали микро-КТ-сканеры для создания 3D-моделей каждого вида фиджийских муравьёв. Они также измерили размеры тел муравьев, челюстей (мандибул) и глаз.
«Мы увидели явное разнообразие форм, связанное с нишами, которые они занимают, что явно было результатом адаптивной радиации», - сказал доктор Лю. В целом, муравьи горной линии развили более крупные тела, что позволило им ловить более крупную добычу. У этих муравьев также развились более короткие челюсти, определяющие способ их охоты.
Углубление в стадию упадка
Гипотеза цикла таксонов предсказывает, что со временем, по мере того как виды адаптируются ко все более специализированным нишам, размер их популяции и диапазон их среды обитания сокращаются. Эти предсказания верны только для фиджийских муравьев-ловушек в высокогорных местах обитания.
Команда обнаружила, что популяции горных видов муравьев со временем сократились в численности и имеют большие генетические различия между популяциями, предполагая, что они были менее способны рассеяться и размножаться на архипелаге Фиджи.
Эта потеря конкурентоспособности увеличивает уязвимость этих старых, более специализированных муравьев, которым в настоящее время угрожает вырубка лесов - серьезная экологическая проблема на Фиджи. «Поскольку эти эндемичные виды занимают лишь небольшой географический район и имеют ограниченную способность к расселению, вырубка лесов может быстро привести к исчезновению этих видов», - сказал доктор Лю.
Теперь команда планирует применить свой подход, сочетающий популяционную геномику, филогенетику и морфологические исследования, ко всем видам муравьев на Фиджи.
До сих пор неясно, насколько данные о муравьях-ловушках согласуются с гипотезой цикла таксонов, сказал доктор Лю. По его словам, это исследование, а также опубликованное в прошлом году, в котором изучался род фиджийских муравьев Pheidole, «только частично подтвердили» гипотезу.«Необходимо больше данных, чтобы определить, действительно ли эволюция на этих островах следует предсказуемым стадиям или это более случайный процесс, который каждый раз меняется».