Boom Insect
ไทย

บทความฟรี

ไขเรื่องราวของด้วงคีมบนเกาะฮาจิโจจิมะ

จากความต่างของกราม สู่ประวัติของเกาะและทะเล

ทั้งบนเกาะหลักของญี่ปุ่นและเกาะฮาจิโจจิมะ ต่างมีด้วงคีมกลุ่มที่มีกรามหยักคล้ายฟันเลื่อยอาศัยอยู่ ลองนึกภาพว่านำตัวผู้จากแต่ละแห่งที่มีขนาดลำตัวใกล้เคียงกันมาวางข้างกัน ตัวจากฮาจิโจจิมะมีกรามสั้นกว่า เพียงเท่านี้จะบอกได้หรือไม่ว่าพวกมันเป็นคนละชนิดกัน?

ความต่างของกรามเป็นเบาะแสอย่างหนึ่งในการพิจารณาว่าเป็นคนละชนิดหรือไม่ เมื่อนักวิจัยเปรียบเทียบด้วงจำนวนมาก ก็พบว่าตัวผู้จากฮาจิโจจิมะมีแนวโน้มที่จะมีกรามสั้นกว่าเมื่อเทียบกับขนาดลำตัวของตัวผู้จากเกาะหลัก

ทำไมความต่างนี้จึงเกิดขึ้นที่ฮาจิโจจิมะ? เกาะนี้เกิดจากภูเขาไฟที่ก่อตัวบนพื้นทะเลแล้วโผล่พ้นผิวน้ำขึ้นมา เชื่อกันว่าบรรพบุรุษของด้วงข้ามทะเลมาหลังจากมีแผ่นดินเกิดขึ้นแล้ว

หลังจากด้วงตั้งถิ่นฐานบนฮาจิโจจิมะแล้ว ยังมีด้วงจากเกาะหลักหรือเกาะอื่นเดินทางมาอีกหรือไม่? โคได คิชิโนะและเพื่อนร่วมทีมสนใจการเคลื่อนย้ายเช่นนี้ ความต่างของความเชื่อมโยงกับภายนอกอาจเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการของกรามที่สั้นลง บทความนี้จะพาไปตามปริศนานั้น

จะเปรียบเทียบกราม ต้องวัดความกว้างของอก

ความยาวลำตัวบอกว่าสัตว์ตัวหนึ่งยาวเท่าใด คู่มือด้วงคีมบางเล่มวัดจากปลายกรามไปถึงปลายท้ายลำตัว เมื่อวัดเช่นนี้ แม้ส่วนอื่นของลำตัวจะเท่ากัน ตัวที่มีกรามยาวกว่าก็จะมีความยาวลำตัวมากกว่า ทีมวิจัยจึงใช้ความกว้างของอก ซึ่งเป็นส่วนที่อยู่ถัดจากหัว เป็นตัวแทนขนาดลำตัว เพื่อดูว่ากรามยาวเพียงใดเมื่อเทียบกับตัวด้วง

พวกเขาถ่ายภาพด้วงจากที่ราบสูงนาสุบนเกาะหลัก รวมทั้งจากโอชิมะ นิอิจิมะ โคซุชิมะ และฮาจิโจจิมะ โดยถ่ายจากด้านบนตรง ๆ แล้ววัดความกว้างของอกกับความยาวกรามจากภาพ เมื่อใช้ความกว้างของอกเป็นเกณฑ์ กรามของตัวผู้มีแนวโน้มสั้นลงตามสัดส่วน เรียงจากเกาะหลัก โอชิมะ นิอิจิมะ ไปถึงโคซุชิมะ ส่วนกรามที่สั้นที่สุดตามสัดส่วนในกลุ่มที่ศึกษาคือของฮาจิโจจิมะ

เดิมด้วงบนฮาจิโจจิมะถูกจัดเป็นกลุ่มที่มีลักษณะเฉพาะท้องถิ่นภายในชนิดเดียวกับด้วงคีมกรามฟันเลื่อยบนเกาะหลัก ต่อมาในปี 1985 ความต่างด้านรูปร่างทำให้มันถูกจัดเป็นอีกชนิดหนึ่ง โดยมีชื่อภาษาญี่ปุ่นที่หมายถึงด้วงคีมกรามฟันเลื่อยแห่งฮาจิโจ สิ่งที่ทีมคิชิโนะศึกษาครั้งนี้คือ ในอดีตด้วงเหล่านี้มีความเชื่อมโยงกับด้วงบนเกาะอื่นและเกาะหลักอย่างไร

ฮาจิโจจิมะแยกออกจากเกาะหลักเมื่อไร?

ถ้าด้วงทั้งสองแห่งมีบรรพบุรุษร่วมกัน แผ่นดินเคยเชื่อมถึงกันหรือไม่? ฮาจิโจจิมะเป็นเกาะภูเขาไฟทางใต้ของหมู่เกาะอิซุ ซึ่งทอดตัวออกจากชายฝั่งคาบสมุทรอิซุ งานวิจัยทางธรณีวิทยาไม่พบหลักฐานว่าเกาะนี้เกิดจากแผ่นดินส่วนหนึ่งแยกออกจากเกาะหลัก ภูเขาไฟที่เป็นต้นกำเนิดของเกาะก่อตัวบนพื้นทะเล แล้วจึงโผล่ขึ้นเหนือผิวน้ำ

เบาะแสอย่างหนึ่งเกี่ยวกับช่วงเวลาคือเถ้าภูเขาไฟที่ปลิวมาจากคิวชู มีการพบเถ้าอายุประมาณ 240,000 ปีอยู่ในชั้นธรณีที่ก่อตัวบนบกของฮาจิโจจิมะ จึงเป็นไปได้ว่าในช่วงที่เถ้าตกลงมา มีแผ่นดินโผล่พ้นทะเลอยู่แล้ว

เมื่อพิจารณาการเกิดเกาะเช่นนี้ จึงสมเหตุสมผลที่จะคิดว่าบรรพบุรุษของด้วงข้ามทะเลมาหลังจากมีแผ่นดิน การติดมากับไม้ที่ลอยน้ำเป็นวิธีหนึ่งที่เป็นไปได้ พวกมันมาจากเกาะหลักโดยตรง หรือผ่านเกาะใกล้เคียง? อะไรพามันมา และมาถึงเมื่อไร? ชั้นธรณีบอกได้เพียงว่าช่วงเวลานั้นมีแผ่นดินอยู่แล้ว

ค้นหาร่องรอยการเดินทางหลังตั้งถิ่นฐานจาก DNA

สมมติว่าบรรพบุรุษของด้วงข้ามทะเลมาตั้งถิ่นฐานบนเกาะแล้ว หลังจากนั้นยังมีด้วงจากเกาะหลักหรือเกาะอื่นมาอีกหรือไม่? เราไม่อาจเห็นการเดินทางในอดีตโดยตรง แต่หากด้วงที่เดินทางมามีลูกบนเกาะ DNA ของมันก็อาจถูกส่งต่อมาถึงลูกหลานในปัจจุบัน ทีมวิจัยจึงค้นหาร่องรอยนั้นจาก DNA ของด้วงที่มีชีวิตอยู่ทุกวันนี้

DNA เป็นสารที่เก็บข้อมูลเกี่ยวกับการสร้างและการทำงานของร่างกาย โครงสร้างของมันมีส่วนประกอบทางเคมีสี่ชนิดที่เรียกว่าเบส ลำดับของส่วนประกอบเหล่านี้เก็บข้อมูลไว้ ลำดับนี้ส่งต่อจากพ่อแม่สู่ลูก แต่บางครั้งก็เกิดการเปลี่ยนแปลงในบางส่วน การเปรียบเทียบว่าแต่ละประชากรเหลือการเปลี่ยนแปลงแบบใดอยู่ ช่วยให้ศึกษาความเชื่อมโยงระหว่างประชากรได้ ประชากรในที่นี้หมายถึงด้วงกลุ่มเดียวกันที่อาศัยในพื้นที่หนึ่ง

ทีมวิจัยเริ่มจาก DNA ของไมโทคอนเดรีย ไมโทคอนเดรียอยู่ภายในเซลล์และใช้สารอาหารจากอาหารเพื่อสร้างพลังงานในรูปที่เซลล์นำไปใช้ได้ ในสัตว์หลายชนิด DNA ของไมโทคอนเดรียถ่ายทอดจากแม่สู่ลูกเป็นหลัก จึงใช้การเปรียบเทียบลำดับเพื่อตามความสัมพันธ์ทางสายแม่ได้ คล้ายกับการไล่ผังครอบครัวจากแม่ไปหายาย

นักวิจัยอ่าน DNA ของไมโทคอนเดรียส่วนหนึ่ง ส่วนนี้มีข้อมูลสำหรับสร้างองค์ประกอบที่จำเป็นต่อการผลิตพลังงาน

พวกเขาเปรียบเทียบลำดับ DNA ของด้วงเพื่อหาจุดที่เหมือนและต่างกัน แล้วใช้ผลนั้นประมาณลำดับการแยกสายจากบรรพบุรุษร่วมกัน การแสดงความสัมพันธ์เหล่านี้เป็นกิ่งก้านคล้ายต้นไม้เรียกว่าต้นไม้วิวัฒนาการ

เมื่อสร้างต้นไม้จากด้วงบนแปดเกาะในหมู่เกาะอิซุ เกาะหลัก และพื้นที่อื่น ๆ ฮาจิโจจิมะกับเกาะทางใต้ เช่น มิยาเกะจิมะ อยู่บนกิ่งเดียวกันที่แยกจากกลุ่มเกาะหลัก นั่นหมายความว่า นักวิจัยประมาณว่าด้วงในกิ่งนี้มีบรรพบุรุษร่วมกันในช่วงเวลาที่ใกล้ปัจจุบันกว่า ส่วนบรรพบุรุษที่มีร่วมกับด้วงเกาะหลักนั้นเก่ากว่า โอชิมะและนิอิจิมะอยู่บนกิ่งฝั่งเกาะหลัก แม้เพิ่มส่วน DNA ของไมโทคอนเดรียที่นำมาเปรียบเทียบ การแตกกิ่งนี้ก็ไม่เปลี่ยนไป

ถัดมาทีมเปรียบเทียบ DNA ในนิวเคลียส ซึ่งถ่ายทอดจากทั้งพ่อและแม่ นิวเคลียสคือส่วนของเซลล์ที่เก็บ DNA ส่วนใหญ่ ทีมวิจัยเปรียบเทียบยีน 1,317 ยีนใน DNA ของนิวเคลียส ยีนคือช่วงหนึ่งของ DNA ที่มีข้อมูลเกี่ยวกับการสร้างหรือการทำงานของร่างกาย

ในต้นไม้จาก DNA ของนิวเคลียส เกาะทั้งสี่คือโอชิมะ นิอิจิมะ มิยาเกะจิมะ และฮาจิโจจิมะ อยู่บนกิ่งเดียวกันที่แยกจากเกาะหลัก จากนั้นกิ่งนี้แยกเป็นฮาจิโจจิมะกับอีกสามเกาะ มิยาเกะจิมะซึ่งอยู่กิ่งเดียวกับฮาจิโจจิมะในต้นไม้จากไมโทคอนเดรีย กลับอยู่ร่วมกิ่งกับโอชิมะและนิอิจิมะเมื่อใช้ DNA ของนิวเคลียส

ความไม่ตรงกันนี้อาจเกี่ยวกับการเคลื่อนย้ายหลังตั้งถิ่นฐานหรือไม่? ถ้าด้วงที่มาภายหลังมีลูกบนเกาะ DNA ของมันก็อาจเพิ่มเข้ามาในลูกหลานท้องถิ่นด้วย ทีมวิจัยตรวจสอบความเป็นไปได้นี้ให้ละเอียดขึ้น

ฝั่งใดมีการเปลี่ยนแปลงของ DNA ร่วมกับเกาะหลักมากกว่า?

ทีมวิจัยรวมโอชิมะ นิอิจิมะ และมิยาเกะจิมะเป็นกลุ่มเดียว แล้วเปรียบเทียบกับประชากรฮาจิโจจิมะ พวกเขาดูว่ากลุ่มใดมีตำแหน่ง DNA ที่เปลี่ยนไปแบบเดียวกับด้วงเกาะหลักเหลืออยู่มากกว่า

หากหลังจากแยกกันแล้วทั้งสองกลุ่มไม่มีลูกกับด้วงเกาะหลัก จำนวนการเปลี่ยนแปลงร่วมเหล่านี้ไม่น่าจะกระจุกอยู่ด้านใดด้านหนึ่งมากนัก แต่ผลจริงพบตำแหน่งที่เปลี่ยนเหมือนเกาะหลักในกลุ่มสามเกาะมากกว่าฮาจิโจจิมะ

ถ้าด้วงจากเกาะหลักมีลูกกับด้วงบนสามเกาะ ลูกก็จะได้รับ DNA ของพ่อหรือแม่จากเกาะหลัก ซึ่งอธิบายความเอนเอียงนี้ได้ เมื่อพิจารณาร่วมกับการวิเคราะห์อื่น ทีมจึงสรุปว่าด้วงจากเกาะหลักเคยมีลูกหลานบนสามเกาะนั้น ส่วนที่ฮาจิโจจิมะ พวกเขาไม่ได้หลักฐานแบบเดียวกันว่าด้วงจากเกาะหลักเข้ามาร่วมในประชากร

กระแสน้ำคุโรชิโอะขัดขวางการมาถึงฮาจิโจจิมะหรือไม่?

โอชิมะ นิอิจิมะ และมิยาเกะจิมะมีร่องรอยเชื่อมโยงกับเกาะหลัก แต่ฮาจิโจจิมะไม่พบร่องรอยเช่นเดียวกัน ทั้งที่ทุกเกาะมีทะเลกั้น เหตุใดจึงต่างกัน?

เพื่อศึกษาความต่างนี้ ทีมใช้ DNA ประมาณเวลาที่ประชากรเกาะหลักกับฮาจิโจจิมะแยกจากกันด้วย ค่าประมาณคือราว 150,000 ปีก่อน โดยช่วงประมาณที่รายงานในบทความอยู่ที่ราว 120,000–190,000 ปีก่อน การคำนวณสมมติว่าหลังแยกกันแล้วทั้งสองประชากรไม่มีลูกร่วมกัน จึงไม่ได้บอกว่าด้วงกลุ่มแรกมาถึงเกาะเมื่อไร

ชั้นธรณีแสดงว่าฮาจิโจจิมะมีแผ่นดินแล้วเมื่อราว 240,000 ปีก่อน เมื่อพิจารณาความเชื่อมโยงของด้วงหลังจากนั้น ทีมคิชิโนะหันมาสนใจคุโรชิโอะ กระแสน้ำแรงนี้บางครั้งไหลระหว่างมิคุระจิมะกับฮาจิโจจิมะ นักวิจัยจึงพิจารณาว่ามันอาจเป็นอุปสรรคต่อการเดินทางมาถึงเกาะ

งานวิจัยอื่นที่ศึกษาทะเลในอดีตจากโคลนสะสมบนพื้นทะเลเสนอว่า ในช่วงอากาศหนาวช่วงหนึ่ง คุโรชิโอะไหลอยู่ทางใต้กว่าปัจจุบัน ทีมคิชิโนะคิดว่าบรรพบุรุษของด้วงอาจมาถึงฮาจิโจจิมะได้ในช่วงนั้น ต่อมาเมื่อกระแสน้ำขยับขึ้นเหนือและตัดผ่านระหว่างเกาะ ไม้ลอยน้ำอาจถูกพัดไปทางอื่น ทำให้มาถึงฮาจิโจจิมะยากขึ้น นี่คือสมมติฐาน ช่วงเวลาที่ประมาณว่าประชากรแยกกันมีขอบเขตกว้าง จึงยังไม่ทราบว่าตรงกับช่วงที่กระแสน้ำเปลี่ยนเส้นทางพอดีหรือไม่

ทุกครั้งที่ด้วงจากเกาะหลักมีลูกบนเกาะ DNA จากเกาะหลักก็เพิ่มเข้าสู่ประชากรท้องถิ่น ทีมเสนอว่าที่ฮาจิโจจิมะมีการเพิ่มเช่นนี้น้อยกว่า จึงอาจทำให้การเปลี่ยนแปลงที่เหมาะกับชีวิตบนเกาะคงอยู่ได้ง่ายขึ้น และช่วยให้วิวัฒนาการของกรามที่สั้นลงดำเนินต่อไป

นักวิจัยเปลี่ยนอะไรระหว่างที่ตัวอ่อนเติบโต?

ถ้าวิธีที่กรามเติบโตเปลี่ยนไป DNA ที่เกี่ยวกับการเจริญเติบโตอาจมีเบาะแสอีกอย่าง เซลล์ตัวอ่อนมีองค์ประกอบหนึ่งที่รับสัญญาณการเติบโตซึ่งส่งมาตามสภาพโภชนาการของร่างกาย ในด้วงฮาจิโจจิมะ DNA ที่มีข้อมูลสำหรับสร้างองค์ประกอบนี้มีความต่างที่ไม่พบในประชากรอื่น

ทีมแบ่งตัวอ่อนจากเกาะหลักเป็นสองกลุ่ม แล้วลดการสร้างองค์ประกอบนี้ในกลุ่มหนึ่ง เมื่อวัดตัวผู้ที่โตเต็มวัย กลุ่มที่สร้างองค์ประกอบได้น้อยลงมีกรามสั้นกว่าเมื่อเทียบกับขนาดลำตัวของกลุ่มที่ไม่ได้รับการแทรกแซงนั้น การทดลองจึงยืนยันว่าองค์ประกอบนี้เกี่ยวข้องกับการพัฒนาของกราม

รู้อะไรแล้ว และยังต้องตรวจสอบอะไร?

งานวิจัยยืนยันว่าตัวผู้ฮาจิโจจิมะมีกรามสั้นกว่าแม้คำนึงถึงขนาดลำตัวแล้ว การเปรียบเทียบ DNA พบร่องรอยลูกหลานของด้วงที่มาจากเกาะหลักบนโอชิมะ นิอิจิมะ และมิยาเกะจิมะ แต่ไม่พบร่องรอยเดียวกันบนฮาจิโจจิมะ ความเชื่อมโยงกับเกาะหลักจึงต่างกันในแต่ละเกาะ

ทีมเสนอว่าเมื่อ DNA จากเกาะหลักเข้ามาฮาจิโจจิมะได้น้อย การเปลี่ยนแปลงที่เหมาะกับชีวิตบนเกาะอาจคงอยู่ได้ง่าย และเอื้อต่อวิวัฒนาการของกรามที่สั้นลง ทั้งสภาพแวดล้อมบนเกาะและประวัติที่มีด้วงใหม่จากเกาะหลักเข้ามาน้อย อาจมีส่วนร่วมกัน

ยังมีสิ่งที่ต้องศึกษาเพื่อทดสอบคำอธิบายนี้ การทดลองแสดงว่าการลดการสร้างองค์ประกอบเกี่ยวกับการเติบโตในตัวอ่อนจากเกาะหลักทำให้กรามสั้นลง แต่ยังไม่ได้ทดสอบว่าความต่างของ DNA ที่พบในฮาจิโจจิมะเปลี่ยนการทำงานขององค์ประกอบนั้นด้วยตัวมันเองหรือไม่ หากจะรู้ว่ากรามสั้นมีประโยชน์ตอนไหนบนเกาะ ก็ต้องศึกษาว่าตัวผู้พบกันที่ใดและแย่งชิงอะไรด้วย

คำอธิบายว่าคุโรชิโอะขัดขวางการเดินทางไปฮาจิโจจิมะก็ยังเป็นสมมติฐาน ต้องมีหลักฐานเพิ่มว่าด้วงกลุ่มแรกมาถึงเมื่อไร ใช้เส้นทางใด และการเคลื่อนย้ายภายหลังเปลี่ยนไปอย่างไร ตัวอย่างเช่น การเปรียบเทียบแมลงชนิดอื่นที่พบทั้งบนมิคุระจิมะและฮาจิโจจิมะ อาจช่วยดูว่าความต่างของ DNA เพิ่มขึ้นระหว่างสองเกาะนี้ด้วยหรือไม่ ซึ่งอาจเป็นเบาะแสเกี่ยวกับอิทธิพลของกระแสน้ำ

เมื่อเจาะลึกความต่างของกราม เรื่องก็เชื่อมไปถึงการเกิดเกาะและการไหลของทะเล ความเชื่อมโยงกับเกาะหลักที่อ่อนลงช่วยให้ด้วงฮาจิโจจิมะวิวัฒนาการในแบบของตัวเองหรือไม่? ความท้าทายต่อจากผลวิจัยนี้คือการเชื่อมและตรวจสอบการทำงานของ DNA กับชีวิตของด้วงบนเกาะ

เอกสารอ้างอิง