Boom Insect
Русский

Бесплатная статья

Разгадываем историю рогачей с острова Хатидзёдзима

От различий в челюстях к истории островов и моря

И на главных островах Японии, и на Хатидзёдзиме живут жуки-рогачи с зубчатыми челюстями. Представим, что мы положили рядом двух самцов из этих мест с примерно одинаковым размером тела. У самца с Хатидзёдзимы челюсти короче. Достаточно ли этого, чтобы понять, что перед нами разные виды?

Различия в челюстях действительно могут быть одним из признаков, помогающих различать виды. Сравнив много особей, исследователи обнаружили, что у самцов с Хатидзёдзимы челюсти обычно короче относительно размера тела, чем у самцов с главных островов.

Почему это различие возникло на Хатидзёдзиме? Остров образовался, когда вулканы, возникшие на морском дне, поднялись над поверхностью воды. Предполагается, что предки жуков пересекли море уже после появления суши.

Когда жуки поселились на Хатидзёдзиме, продолжали ли туда прибывать другие жуки с главных или соседних островов? Кодай Кисино и его коллеги сосредоточились на таких перемещениях. Различия в связях с внешним миром могли быть связаны с эволюцией более коротких челюстей. Попробуем проследить эту загадку.

Чтобы сравнить челюсти, измеряют ширину груди

Длина тела показывает, насколько животное длинное. Некоторые определители рогачей измеряют её от кончиков челюстей до заднего конца тела. При таком способе более длинные челюсти увеличивают длину тела, даже если всё остальное одинакового размера. Чтобы узнать длину челюстей относительно тела, исследователи выбрали другой ориентир: ширину грудного отдела сразу за головой.

Они сфотографировали строго сверху жуков из Насу-Когэн на главных островах, а также с Осимы, Ниидзимы, Кодзусимы и Хатидзёдзимы. По фотографиям измерили ширину груди и длину челюстей. Относительно ширины груди челюсти самцов имели тенденцию становиться короче в следующем порядке: главные острова, Осима, Ниидзима и Кодзусима. Самые короткие относительно тела челюсти среди изученных жуков оказались у жителей Хатидзёдзимы.

Сначала жуков Хатидзёдзимы считали местной группой с особыми признаками внутри того же вида, что и рогачи с зубчатыми челюстями на главных островах. В 1985 году из-за различий во внешнем строении их стали рассматривать как отдельный вид, японское название которого означает «рогач с зубчатыми челюстями с Хатидзё». Теперь команда Кисино изучила другой вопрос: какие связи эти жуки имели в прошлом с жуками на других островах архипелага и на главных островах Японии?

Когда Хатидзёдзима отделилась от главных островов?

Если у жуков есть общие предки, не соединялись ли эти земли в прошлом? Хатидзёдзима — вулканический остров в южной части архипелага Идзу, который тянется в море от полуострова Идзу. Геологические исследования не нашли свидетельств того, что остров возник, отколовшись от главных островов. Образовавшие его вулканы появились на морском дне и позже выступили над водой.

Одну из подсказок о времени даёт вулканический пепел, прилетевший с Кюсю. На Хатидзёдзиме пепел возрастом около 240 000 лет обнаружили в слоях, сформировавшихся на суше. Это позволяет предположить, что к моменту выпадения пепла суша уже возвышалась над морем.

Учитывая такую историю, разумно думать, что предки жуков пересекли море после появления суши. Например, они могли приплыть на древесине, которую несло течением. Добрались ли они прямо с главных островов или через соседние? Что их принесло и когда они прибыли? Геологические слои говорят лишь о том, что к тому времени суша уже существовала.

Ищем в ДНК следы путешествий после заселения

Допустим, предки жуков пересекли море и поселились на острове. Продолжали ли после этого прибывать жуки с главных или других островов? Наблюдать древние перемещения напрямую мы не можем. Но если прибывшие жуки оставили потомство, их ДНК могла передаваться до наших дней. Такие следы команда искала в ДНК современных жуков.

ДНК — вещество, которое несёт информацию, связанную со строением и работой организма. В её структуре есть четыре типа химических компонентов, называемых основаниями. Их порядок хранит информацию. Эта последовательность передаётся от родителей потомству, но иногда небольшая её часть меняется. Сравнивая изменения, сохранившиеся в разных популяциях, можно изучать связи между ними. Популяция здесь — группа жуков одного вида, живущая на определённой территории.

Сначала команда сравнила ДНК митохондрий. Митохондрии находятся внутри клеток и с помощью питательных веществ из пищи производят энергию в форме, которую клетка может использовать. У многих животных их ДНК наследуется главным образом от матери. Поэтому сравнение её последовательностей помогает проследить материнскую линию — словно двигаться по семейному дереву от матери к её матери.

Исследователи прочитали часть митохондриальной ДНК. Она содержит информацию для создания компонента, необходимого для выработки энергии.

Они сравнили последовательности ДНК жуков и определили одинаковые и различающиеся участки. По этим данным оценили, в каком порядке линии отделялись от общих предков. Схему таких связей в виде ветвей называют филогенетическим деревом.

Дерево построили по жукам с восьми островов Идзу, главных островов и из других мест. Хатидзёдзима и южные острова, включая Миякедзиму, оказались на одной ветви, отдельной от группы главных островов. Значит, по оценке исследователей, жуки этой ветви имели друг с другом более недавнего общего предка, чем с жуками главных островов. Осима и Ниидзима попали на ветвь главных островов. Сравнение дополнительных участков митохондриальной ДНК не изменило это ветвление.

Далее сравнили ДНК ядра, которую потомство получает и от отца, и от матери. Ядро — часть клетки, где находится большая часть её ДНК. Команда сравнила 1 317 генов ядерной ДНК. Ген — участок ДНК, несущий информацию, связанную со строением или работой организма.

В дереве по ядерной ДНК четыре острова — Осима, Ниидзима, Миякедзима и Хатидзёдзима — образовали одну ветвь, отдельную от главных островов. Затем эта ветвь разделилась на Хатидзёдзиму и остальные три острова. Миякедзима, которая в митохондриальном дереве делила ветвь с Хатидзёдзимой, теперь делила её с Осимой и Ниидзимой.

Могло ли это расхождение быть связано с перемещениями после заселения? Если более поздние пришельцы оставляли потомство на островах, их ДНК тоже добавлялась к местной. Команда изучила эту возможность подробнее.

Какие острова разделяют больше изменений ДНК с главными островами?

Исследователи объединили Осиму, Ниидзиму и Миякедзиму в одну группу и сравнили её с популяцией Хатидзёдзимы. Они проверили, в какой группе сохранилось больше позиций ДНК с теми же изменениями, что и у жуков главных островов.

Если после разделения ни одна из двух групп не оставляла потомства с жуками главных островов, не ожидалось бы сильного перевеса таких общих изменений только с одной стороны. Однако у группы трёх островов соответствующих позиций оказалось больше, чем у Хатидзёдзимы.

Если пришельцы с главных островов размножались с жуками трёх островов, потомство получало их ДНК. Это могло бы объяснить перевес. Учитывая и другие анализы, команда пришла к выводу, что жуки с главных островов оставляли потомство на этих трёх островах. Для Хатидзёдзимы аналогичных свидетельств такого вклада получено не было.

Мешало ли течение Куросио добраться до Хатидзёдзимы?

На Осиме, Ниидзиме и Миякедзиме обнаружились следы связей с главными островами, а на Хатидзёдзиме такие же следы не нашли. Все эти острова разделены морем. Почему же они различаются?

Чтобы разобраться, команда также оценила по ДНК время разделения популяций главных островов и Хатидзёдзимы. Оценка составила около 150 000 лет назад, а приведённый в статье диапазон — примерно от 120 000 до 190 000 лет назад. Расчёт предполагает, что после разделения две популяции не оставляли общего потомства. Поэтому он не указывает, когда первые жуки прибыли на остров.

Геологические слои показывают, что около 240 000 лет назад на Хатидзёдзиме уже была суша. Размышляя о последующих связях жуков, команда Кисино обратила внимание на Куросио. Это сильное морское течение иногда проходит между Микурадзимой и Хатидзёдзимой. Исследователи предположили, что оно могло мешать перемещению на остров.

Другие исследования восстанавливают прошлое моря по илу, накопившемуся на дне. Они позволяют предполагать, что в один из холодных периодов Куросио проходило южнее, чем сейчас. По мысли Кисино и его коллег, предки жуков могли достичь Хатидзёдзимы в то время. Позднее течение могло сместиться к северу и пересечь путь между островами. Тогда оно уносило бы плавающую древесину в другую сторону, затрудняя прибытие на Хатидзёдзиму. Это гипотеза. У оценки времени разделения широкий диапазон, и неизвестно, совпадает ли она точно со временем изменения пути течения.

Каждый раз, когда жуки с главных островов оставляют потомство на небольшом острове, к местной популяции добавляется их ДНК. Команда предполагает, что на Хатидзёдзиме таких поступлений было меньше. Поэтому изменения, подходящие для островной жизни, могли легче сохраняться и способствовать эволюции более коротких челюстей.

Что изменили во время роста личинок?

Если развитие челюстей изменилось, ДНК, связанная с ростом, может содержать ещё одну подсказку. В клетках личинок есть компонент, принимающий сигналы роста, которые поступают в зависимости от обеспеченности организма питательными веществами. У жуков Хатидзёдзимы в ДНК с информацией для создания этого компонента нашли отличия, не наблюдавшиеся в других популяциях.

Команда разделила личинок с главных островов на две группы и снизила выработку этого компонента у одной из них. При измерении взрослых самцов оказалось, что в группе со сниженной выработкой челюсти короче относительно тела, чем в группе без такого вмешательства. Так эксперимент подтвердил участие этого компонента в развитии челюстей.

Что мы узнали и что ещё нужно проверить

Исследование подтвердило, что у самцов Хатидзёдзимы челюсти короче даже с учётом размеров тела. Сравнение ДНК выявило на Осиме, Ниидзиме и Миякедзиме следы потомства жуков, прибывших с главных островов. На Хатидзёдзиме таких же следов не нашли. Значит, связи с главными островами различались от острова к острову.

Команда предполагает, что более редкое поступление ДНК с главных островов на Хатидзёдзиму помогало сохраняться изменениям, подходящим для островной жизни, и способствовало эволюции коротких челюстей. И среда острова, и история меньшего числа новых переселенцев могли сыграть свою роль.

Для проверки этого объяснения остаётся немало работы. Эксперимент показал, что снижение выработки связанного с ростом компонента у личинок главных островов приводит к более коротким челюстям. Но ещё не проверено, меняют ли сами отличия ДНК, найденные на Хатидзёдзиме, работу этого компонента. Чтобы понять, когда короткие челюсти полезны на острове, нужно также изучить, где встречаются самцы и за что они соперничают.

Объяснение, согласно которому Куросио мешало перемещениям на Хатидзёдзиму, тоже остаётся гипотезой. Нужны новые свидетельства того, когда и каким путём прибыли первые жуки и как менялись последующие перемещения. Например, можно сравнить других насекомых, которые живут и на Микурадзиме, и на Хатидзёдзиме: увеличиваются ли различия их ДНК между этими островами? Это могло бы дать подсказку о влиянии течения.

Разбираясь в различиях челюстей, мы пришли к происхождению острова и движению моря. Помогли ли более слабые связи с главными островами жукам Хатидзёдзимы развиваться своим путём? Следующая задача — опираясь на эти результаты, связать работу ДНК с жизнью жуков на острове и проверить эту связь.

Источники