Keď mladý prírodovedec Alfred R. Wallace v roku 1848 opustil Angliu, aby preskúmal Nový svet, jedným z jeho hlavných pozorovaní v amazonskom regióne bolo, že veľké rieky boli neprekonateľnou prekážkou pre niektoré druhy zvierat, najmä pre primáty a vtáky. Ešte zaujímavejšie je, že si všimol, že blízko príbuzné druhy často obývali lesy na opačných stranách rieky, ale nikdy sa nenašli spolu.
V skutočnosti existujú medzi amazonskými vtákmi stovky príkladov krížov, čo je fenomén, ktorý nikde inde na Zemi nevidel. Takmer jedna tretina z približne 240 druhov vtákov, ktoré obyčajne obývajú lesy na jednej strane dolného Rio Negro v Brazílii, je na druhej strane nahradená úzko súvisiacimi druhmi. Napríklad na ľavom brehu uvidíte čierne škvrny Barbets ( Capito niger ) s červenými hrdlami. Na pravom brehu uvidíte iba úzko prepojené Guilded Barbets ( Capito auratus ) s oranžovými hrdlami.
Čierne škvrny a cechy barety žijú oddelene, oddelené dolným Rio Negro a Rio Branco v brazílskom Amazonii. (Andreza Silva) Amazonské rieky ma fascinovali od chvíle, keď som prvýkrát navštívil tento región v roku 1999 a boli hlavným zameraním môjho výskumu ako tropického biológa. Zaujali ma popisované náhradné vzory, ktoré Wallace opísal, a strávil som nespočet hodín štúdiom máp vtáčej distribúcie.
Napriek dlhoročným štúdiám si však vývojoví biológovia stále nie sú istí úlohou riek, ktoré v procese špekulácie v Amazónii zohrali. Vytvárajú rieky nové druhy? Alebo jednoducho fungujú ako sekundárne bariéry a poskytujú prirodzené hranice pre druhy, ktoré sa vytvorili inde? Rozišli sa všetky tieto spárované línie súčasne a rozdelili ich spoločná bariéra? Alebo nasledoval každý druh svojou vlastnou evolučnou cestou?
Štúdia sa zamerala na druhy vtákov, ktorých rozšírenie je ohraničené dvoma biogeografickými prekážkami: Rio Negro a Rio Branco, ktoré sa nachádzajú v Guyanskom štíte v severnej Amazónii. (Naka a kol.) To boli otázky, ktoré viedli moji kolegovia a ja, keď sme sa vydali na prieskum Rio Negro, stále jedného z najviac nedotknutých regiónov Amazónie. Podobne ako expedície vedené predchádzajúcimi prírodovedcami, aj naše zahŕňali dlhé plavby loďou, aby sa dostali na vzdialené miesta. Boli sme však vyzbrojení počítačmi, digitálnymi snímkami, zariadeniami GPS, digitálnymi zvukovými záznamníkmi a tekutým dusíkom, aby sme udržali vzorky pri veľmi nízkych teplotách, až kým nebudeme môcť vykonať genetickú analýzu späť v laboratóriu. Našim plánom bolo použiť vzorky tkanív vtákov na opačných stranách rieky na vyhodnotenie ich evolučnej histórie.
Vyvíjajú sa z jedného druhu na dva
Pri pohľade na množstvo genetickej diferenciácie medzi jednotlivcami v rôznych bankách sú moderní prírodovedci schopní sledovať približne toľko času, koľko času uplynulo od začiatku týchto nezávislých evolučných histórií. Biológovia sa nemôžu dohodnúť na tom, akú rolu tieto rieky zohrali v evolučnej histórii druhov, ktoré v súčasnosti delia.
Jedna zrejmá možnosť je, že rozsah pôvodných druhov bol vyrezaný novovytvorenou riekou, ktorá izolovala veľké kúsky lesov. Cutoff populácie sa pomaly menia a navzájom sa líšia. Keby mali dosť času, ich rozdiely by boli také veľké, že by sa už viac neuznávali ako potenciálnych kamarátov, s ktorými by sa mohli spárovať a chovať potomkov - stali by sa inými druhmi. Táto myšlienka sa stala známou ako hypotéza riečnej bariéry. Je to najstaršie vysvetlenie, prečo je v Amazonii toľko druhov.
Alternatívny model naznačuje, že rieky pôsobia ako sekundárne bariéry. Podľa tejto myšlienky, hoci sú v súčasnosti dôležité na vymedzenie geografických obmedzení druhov, rieky nemali nič spoločné s počiatočným oddelením tejto populácie predkov.
Je však ťažké položiť tu najzjavnejšiu otázku. Vtáky sa zaoberajú epickými migráciami na veľké vzdialenosti a sú schopné cestovať z jedného pólu na druhý. Ako na svete môže amazónska rieka, aj veľká, predstavovať veľkú prekážku? Nemôžu vtáky jednoducho letieť cez rieku, zísť sa so svojimi príbuznými a vyhnúť sa tomu, že sa stanú dvoma rôznymi druhmi?
Krátka odpoveď zrejme nie. Zdá sa, že pre mnoho druhov žijúcich v lesoch sú rieky skutočne neprekonateľnými prekážkami. Experimenty naznačujú, že veľa druhov vtákov nie je schopných lietať ani sto metrov nad otvorenou krajinou, nehovoriac o niekoľkých kilometroch mohutnej amazonskej rieky.
Testovanie úlohy riek v vtáčej evolúcii
Naším prvým krokom bolo zmapovanie presného umiestnenia týchto náhradníkov párov. O všetkých študovaných pároch bolo známe, že sa pohybujú v dolnej časti Rio Negro, ktorá sa na niektorých miestach pohybuje až 10 kilometrov. Upriver je však rieka omnoho užšia a spôsoby výmeny sa stávajú komplikovanejšími a zahŕňajú menšie rieky.
Ak sú rozdiely medzi populáciami relatívne veľké - napríklad vzory peria, farby alebo páry piesní sa často považujú za rôzne druhy. Ak sú rozdiely jemné, napríklad veľkosť alebo odtieň alebo tón peria, ornitológovia majú tendenciu ich považovať za rôzne poddruhy. Či už ide o páry druhov alebo páry poddruhov, biológovia ich označujú ako „páry taxónov“.
Prvým krokom bolo zmapovanie vzorov vtáčích substitúcií. Aj keď všetky páry sú v súčasnosti ohraničené dolným Rio Negro, existujú rôzne vzory nahradenia, vrátane Rio Branco. (Naka a kol.) Podrobne sme preskúmali 74 párov taxónov, ktorých rozsahy boli rozdelené rôznymi kombináciami Rio Negro a jeho najväčšieho prítoku, Rio Branco. Tieto dve rieky sú biogeografickými prekážkami pre desiatky druhov vtákov. Po viac ako desiatich rokoch práce v teréne as prispením významných brazílskych a amerických múzeí a zbierok získal náš tím distribučné a genetické údaje takmer pre všetky druhy vtákov a poddruhy, ktoré sa na oboch stranách rieky líšili.
Zdôvodnili sme, že ak rieka disekovala krajinu a oddelila mnoho vtáčích populácií súčasne, dvojice by mali predstavovať zhruba podobné obdobia divergencie. Ak budú rieky pôsobiť ako sekundárne bariéry, pravdepodobne budú predstavovať celé veky. V tomto prípade by páry mohli byť staršie ako rieky, ktoré v súčasnosti viažu svoje rozdelenie, pretože podľa tohto modelu pôvodné rozdelenie druhu na dve nezávisí od výskytu rieky.
Vedci použili molekulárne údaje na určenie toho, ako dávno sa každý zo 74 párov vtákov líšil. Horizontálne stĺpce pokrývajú dôveryhodné intervaly, pričom sa zohľadňujú neistoty načasovania. Väčšina párov sa oddelila dlho predtým, ako obe rieky existovali v súčasnej podobe. (Naka a kol.) Použili sme časom kalibrované molekulárne údaje, aby sme približne približne zistili, kedy sa každý z našich 74 párov príbuzných vtákov vyvíjal evolučne odlišným spôsobom. Niektoré gény mutujú predvídateľnou stálou rýchlosťou, čo umožňuje vedcom odhadnúť čas, ktorý uplynul od doby, kedy sa daný pár organizmov rozchádzal. Čím viac zmien v ich genómoch, tým dlhšie to bolo od chvíle, keď zdieľali spoločného predka. Je to ako pozerať sa na to, čo vedci nazývajú „molekulárne hodiny“.
Guiananský Toucanet (Selenidera piperivora) sa v tejto oblasti nahrádza Toucanetom tufovým (S. nattereri). Toto je najstarší pár v analýze, ktorý sa oddelil približne pred 8 miliónmi rokov. (Luciano Nicolas Naka) Keď sme sa pozreli na molekulárne hodiny našich vzoriek vtákov, zistili sme, že divergenčné udalosti neboli zoskupené v konkrétnom časovom rámci. Namiesto toho sa pohybovali od 0, 2 do 8 miliónov rokov. Je preto nepravdepodobné, že by všetky vtáčie páry, ktoré sú v súčasnosti rozdelené spoločnou bariérou, ako napríklad Negro alebo Branco, vznikli vznikom týchto riek.
Okrem toho geomorfologické údaje naznačujú, že tieto rieky si relatívne nedávno vybudovali svoje súčasné polohy. Približné dátumy pre Rio Negro sú približne milión rokov, zatiaľ čo Rio Branco je očividne oveľa novší, okolo 20 000 rokov. Preto sa zdá, že obe rieky sú omnoho mladšie ako väčšina párov vtákov, ktoré v súčasnosti delia, čo podporuje model sekundárnej kontaktnej bariéry: Rieky dnes udržiavajú hranice, ale načasovanie naznačuje, že nemohli byť zodpovedné za počiatočné oddelenie väčšiny vtáčích párov. študovali sme.
Na druhej strane sa zdá, že Rio Negro má miliónročnú históriu. Naše modely nemôžu odmietnuť spoločnú diverzifikačnú udalosť, ktorá sa odohráva okolo tohto veku pre 12 párov vtáčích taxónov, ktorých DNA naznačila, že sa v posledných miliónoch rokov rozchádzali. Takže zatiaľ čo pôvod väčšiny študovaných párov pravdepodobne nesúvisí s genézou riek, je možné, že najmä Rio Negro predstavuje pre niektoré druhy primárnu bariéru.
Naša nová štúdia, publikovaná v Science Advances, ponúka presvedčivé dôkazy o tom, že amazonské rieky môžu mať dvojakú evolučnú úlohu. Môžu pôsobiť ako primárne bariéry pre niektoré línie, ako to navrhuje hypotéza o bariére v rieke. Častejšie však pôsobia ako sekundárne prekážky pre väčšinu vtáčích línií. Tieto výsledky pochádzajú iba z jedného, aj keď dôležitého, amazónskeho regiónu a podobné štúdie z iných povodí umiestnia naše výsledky do širšieho kontextu.
Tento článok bol pôvodne publikovaný na stránke The Conversation.
Luciano Nicolas Naka, profesor zoológie, Universidade Federal de Pernambuco, Brazília a hosťujúci hosť, Harvardská univerzita
