Kiedy młody przyrodnik Alfred R. Wallace opuścił Anglię, aby zbadać Nowy Świat w 1848 r., Jedną z jego kluczowych obserwacji w regionie Amazonii było to, że duże rzeki stanowiły nie do pokonania bariery dla niektórych gatunków zwierząt, szczególnie naczelnych i ptaków. Co bardziej interesujące, zauważył, że blisko spokrewnione gatunki często zajmowały lasy po przeciwnych stronach rzeki, ale nigdy nie znaleziono ich razem.
Rzeczywiście istnieją setki przykładów par rzek krzyżowych wśród ptaków amazońskich, zjawiska, którego nigdzie indziej na Ziemi nie zaobserwowano. Niemal jedna trzecia z około 240 gatunków ptaków, które normalnie zamieszkują lasy po jednej stronie dolnego Rio Negro w Brazylii, zostaje zastąpiona przez blisko spokrewniony gatunek po drugiej stronie. Na przykład na lewym brzegu zobaczysz Barbety z czarnymi plamami ( Capito niger ) z czerwonymi gardłami. Na prawym brzegu widać tylko blisko spokrewnione Guilded Barbets ( Capito auratus ) z pomarańczowymi gardłami.
Czarno-plamiste i pozłacane Barbety mieszkają osobno, oddzielone niższym Rio Negro i Rio Branco w brazylijskiej Amazonii. (Andreza Silva) Rzeki amazońskie zafascynowały mnie od czasu pierwszej wizyty w regionie w 1999 roku i były głównym przedmiotem moich badań jako biolog tropikalny. Urzekło mnie wzorce wymiany opisane przez Wallace'a i spędziłem niezliczone godziny studiując mapy dystrybucji ptaków.
Jednak pomimo lat badań biolodzy ewolucyjni nie są pewni, jaką rolę odegrały rzeki w procesie specjacji w Amazonii. Czy rzeki generują nowe gatunki? Czy po prostu działają jako bariery wtórne, zapewniając naturalne granice gatunkom utworzonym gdzie indziej? Czy wszystkie te sparowane linie rozeszły się w tym samym czasie, podzielone przez wspólną barierę? Czy może każdy gatunek podążał własną ścieżką ewolucyjną?
Badanie skupiło się na gatunkach ptaków, których dystrybucję ograniczają dwie bariery biogeograficzne: Rio Negro i Rio Branco, znajdujące się w Tarczy Gujany w północnej Amazonii. (Naka i in.) To były pytania, którymi kierowali się moi koledzy i ja, kiedy wybraliśmy się na zwiedzanie Rio Negro, wciąż jednego z najbardziej dziewiczych regionów Amazonii. Podobnie jak wyprawy prowadzone przez wcześniejszych przyrodników, nasze obejmowały długie podróże łodzią do odległych miejsc. Ale byliśmy uzbrojeni w komputery, obrazy cyfrowe, urządzenia GPS, cyfrowe rejestratory audio i ciekły azot, aby utrzymywać nasze próbki w bardzo niskich temperaturach, dopóki nie będziemy mogli przeprowadzić analizy genetycznej z powrotem w laboratorium. Nasz plan polegał na wykorzystaniu próbek tkanek od ptaków po przeciwnych stronach rzeki, aby ocenić ich historię ewolucji.
Ewolucja z jednego gatunku na dwa
Analizując stopień zróżnicowania genetycznego między osobnikami na różnych brzegach, współcześni przyrodnicy są w stanie ustalić w przybliżeniu, ile czasu minęło, odkąd te populacje rozpoczęły swoją niezależną historię ewolucyjną. Biolodzy nie mogą się zgodzić co do roli tych rzek w historii ewolucji gatunków, które obecnie dzielą.
Jedną oczywistą możliwością jest to, że zasięg gatunku przodków został wycięty przez nowo utworzoną rzekę, izolując duże fragmenty lasów. Odcięte populacje powoli zmieniałyby się i różnicowały między sobą. Mając wystarczająco dużo czasu, ich różnice stałyby się na tyle duże, że nie rozpoznawaliby się już jako potencjalni partnerzy, z którymi mogliby się sparować i wychowywać potomstwo - stali się różnymi gatunkami. Pomysł ten stał się znany jako hipoteza bariery rzecznej. To najstarsze wytłumaczenie, dlaczego w Amazonii jest tak wiele gatunków.
Alternatywny model sugeruje, że rzeki działają jak bariery wtórne. Zgodnie z tą ideą, chociaż obecnie są one ważne, aby określić granice geograficzne gatunków, rzeki nie miały nic wspólnego z początkowym oddzieleniem tej populacji przodków.
Trudno nie zadać tutaj najbardziej oczywistego pytania. Ptaki angażują się w epickie migracje na duże odległości i są w stanie podróżować z jednego bieguna na drugi. W jaki sposób na świecie rzeka Amazonii, nawet duża, może stanowić znaczącą barierę? Czy ptaki nie mogą po prostu przelecieć przez rzekę, połączyć się ze swoimi krewnymi i uniknąć stania się dwoma różnymi gatunkami?
Krótka odpowiedź brzmi, najwyraźniej nie. Dla wielu gatunków zamieszkujących lasy rzeki wydają się barierami nie do pokonania. Eksperymenty sugerują, że wiele gatunków ptaków nie jest w stanie latać nawet sto metrów nad otwartym krajobrazem, nie mówiąc już o przepłynięciu kilku kilometrów potężnej rzeki Amazonii.
Testowanie roli rzek w ewolucji ptaków
Naszym pierwszym krokiem było zmapowanie dokładnej lokalizacji tych zamienników pary w górę rzeki. Wszystkie badane pary były znane z obrotu w dolnym Rio Negro, który w niektórych miejscach osiąga szerokość nawet 10 kilometrów. Jednak rzeka w górę rzeki jest znacznie węższa, a wzorce zastępcze stają się bardziej skomplikowane, z udziałem mniejszych rzek.
Kiedy różnice między populacjami są stosunkowo duże - jak wzory upierzenia, kolory lub piosenki - pary są często uważane za różne gatunki. Kiedy różnice są subtelne - takie jak rozmiar, odcień lub ton piór - ornitologowie zwykle uważają je za różne podgatunki. Niezależnie od tego, czy są to pary gatunków czy pary podgatunków, biologowie nazywają je „parami taksonów”.
Pierwszym krokiem było zmapowanie wzorców zastępowania ptaków. Chociaż wszystkie pary są obecnie ograniczone dolnym Rio Negro, istnieją różne wzorce wymiany w górę rzeki, w tym Rio Branco. (Naka i in.) Przebadaliśmy szczegółowo 74 pary taksonów, których zakresy zostały podzielone przez różne kombinacje Rio Negro i jego największego dopływu, Rio Branco. Te dwie rzeki są barierami biogeograficznymi dla dziesiątek gatunków ptaków. Po ponad dekadzie prac terenowych oraz przy wsparciu głównych muzeów i kolekcji w Brazylii i USA, nasz zespół uzyskał dane dotyczące dystrybucji i genetyczne dla prawie wszystkich gatunków i podgatunków ptaków różniących się po obu stronach rzeki.
Uznaliśmy, że jeśli rzeka podzieli krajobraz i oddzieli wiele populacji ptaków w tym samym czasie, pary powinny prezentować mniej więcej podobne czasy rozbieżności. Jeśli rzeki działałyby jako bariery wtórne, pary prawdopodobnie przedstawiałyby cały zestaw grup wiekowych. W takim przypadku pary mogą być starsze niż rzeki, które obecnie ograniczają ich rozkłady, ponieważ zgodnie z tym modelem pierwotny podział gatunku na dwie części nie zależy od pojawienia się rzeki.
Naukowcy wykorzystali dane molekularne, aby ustalić, jak dawno każda z 74 par ptaków rozdzieliła się. Poziome słupki pokrywają wiarygodne odstępy czasu, uwzględniając niepewność pomiaru czasu. Większość par rozdzieliła się na długo przedtem, zanim obie rzeki istniały w obecnej formie. (Naka i in.) Wykorzystaliśmy skalibrowane w czasie dane molekularne, aby dowiedzieć się w przybliżeniu, kiedy każda z naszych 74 par powiązanych ptaków poszła swoją drogą ewolucyjnie. Niektóre geny mutują w przewidywalnych, stałych szybkościach, umożliwiając naukowcom oszacowanie czasu, jaki upłynął od rozejścia się dowolnej pary organizmów. Im więcej zmian w ich genomach, tym dłużej to trwało, odkąd mieli wspólnego przodka. To tak, jakby patrzeć na to, co naukowcy nazywają „zegarem molekularnym”.
Guianan Toucanet (Selenidera piperivora) jest zastępowany przez Toucanet Tawny (S. nattereri) w tym regionie. Jest to najstarsza para w analizie, rozdzielona około 8 milionów lat temu. (Luciano Nicolas Naka) Kiedy spojrzeliśmy na zegary molekularne naszych próbek ptaków, stwierdziliśmy, że zdarzenia rozbieżności nie były skupione w określonym przedziale czasowym. Zamiast tego wahały się od 0, 2 do 8 milionów lat temu. Jest zatem mało prawdopodobne, aby wszystkie pary ptaków podzielone obecnie przez wspólną barierę, taką jak Murzyn lub Branco, zostały wygenerowane przez genezę tych rzek.
Ponadto dane geomorfologiczne sugerują, że rzeki te ustaliły swoje aktualne położenie stosunkowo niedawno. Przybliżone daty dla Rio Negro wynoszą około miliona lat, podczas gdy Rio Branco jest najwyraźniej znacznie nowsze, około 20 000 lat. Dlatego obie rzeki wydają się być znacznie młodsze niż większość par ptaków, które obecnie dzielą, wspierając wtórny model bariery kontaktowej: Rzeki dziś utrzymują granicę, ale czas sugeruje, że nie mogły być odpowiedzialne za początkowe rozdzielenie większości par ptaków studiowaliśmy.
Z drugiej strony, Rio Negro wydaje się mieć tutaj milionową historię. Nasze modele nie mogą odrzucić wspólnego wydarzenia dywersyfikacyjnego, które miało miejsce w tym wieku dla 12 par taksonów ptasich, których DNA wskazuje, że rozeszły się w ciągu ostatniego miliona lat. Chociaż więc pochodzenie większości badanych par prawdopodobnie nie jest związane z genezą rzek, możliwe jest, że w szczególności Rio Negro stanowiło główną barierę dla niektórych gatunków.
Nasze nowe badanie, opublikowane w Science Advances, dostarcza przekonujących dowodów na to, że rzeki Amazonii mogą odgrywać podwójną rolę ewolucyjną. Mogą działać jako podstawowe bariery dla niektórych linii, zgodnie z hipotezą bariery rzecznej. Częściej jednak stanowią one wtórne bariery dla większości linii ptasich. Te wyniki pochodzą tylko z jednego, aczkolwiek ważnego regionu amazońskiego, a podobne badania z innych basenów umieszczą nasze wyniki w szerszym kontekście.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Luciano Nicolas Naka, profesor zoologii, Universidade Federal de Pernambuco, Brazylia i Visiting Scholar, Harvard University
