Kun nuori luonnontieteilijä Alfred R. Wallace lähti Englannista tutkimaan uutta maailmaa vuonna 1848, yksi hänen tärkeimmistä havainnoistaan Amazonin alueella oli, että suuret joet olivat ylittämättömiä esteitä joillekin eläinlajeille, erityisesti kädellisille ja linnuille. Vielä mielenkiintoisempaa, hän huomasi, että läheisesti sukua olevat lajit miehittävät usein joen vastakkaisilla puolilla olevia metsiä, mutta niitä ei löydy koskaan yhdessä.
Itse asiassa Amazonin lintujen joukossa on satoja esimerkkejä jokien välisistä pareista, ilmiötä, jota ei ole nähty missään muualla maapallolla. Lähes kolmasosa noin 240 lintulajista, jotka tavallisesti asuvat Brasilian alemman Rio Negro -alueen toisella puolella sijaitsevissa metsissä, korvataan läheisesti sukulaisilla lajeilla toisella puolella. Esimerkiksi vasemmalla rannalla näet mustat-täpät grillit ( Capito niger ) punaisilla kurkkuilla. Oikealla rannalla näet vain läheisesti sukua olevat kypäräkaapit ( Capito auratus ), joissa on oranssit kurkku.
Mustapisteiset ja kiltoiset pihat ovat erillään toisistaan, erotettua alemmasta Rio Negro- ja Rio Branco -alueesta Brasilian Amazonissa. (Andreza Silva) Amazonin joet ovat kiehtoneet minua siitä, kun vierailin ensimmäistä kertaa alueella vuonna 1999 ja olen ollut tutkimuksen pääpaino trooppisena biologina. Minua kiehtoivat Wallacen kuvatut korvausmallit, ja vietin lukemattomia tunteja tutkimalla lintujen levinneisyyskarttoja.
Vuosien tutkimuksesta huolimatta evoluutiobiologit ovat kuitenkin edelleen epävarmoja jokien roolista Amazonian erikoisprosessissa. Tuottavatko joet uusia lajeja? Tai toimivat vain toissijaisina esteinä tarjoamalla luonnolliset rajat muualle muodostuville lajeille? Ovatko kaikki nämä parilliset suuntaviivat samanaikaisesti jakautuneet, jaettuna yhteisellä esteellä? Vai seurasivatko jokainen laji omaa evoluutiopolkuaan?
Tutkimuksessa keskityttiin lintulajeihin, joiden leviämistä rajoittavat kaksi biogeografista estettä: Rio Negro ja Rio Branco, jotka sijaitsevat Guiana Shieldissä Pohjois-Amazoniassa. (Naka et ai.) Nämä olivat kysymykset, jotka ohjasivat kollegoitani ja minua, kun lähtemme tutkimaan Rio Negroa, joka on edelleen yksi Amazonon turmeltumattomimmista alueista. Kuten aikaisempien luonnontieteilijöiden suorittamien retkien tapaan, osallisimme myös pitkiä veneretkiä syrjäisiin paikkoihin pääsemiseksi. Mutta meidät aseistettiin tietokoneilla, digitaalisilla kuvilla, GPS-laitteilla, digitaalisilla ääninauhureilla ja nestemäisellä typellä pitämään näytteemme erittäin alhaisissa lämpötiloissa, kunnes pystyimme suorittamaan geenianalyysit takaisin laboratorioon. Suunnitelmanamme oli käyttää joen vastakkaisilla puolilla olevista lintuista kudosnäytteitä niiden evoluutiohistorian arvioimiseksi.
Kehittyy yhdestä lajista kahteen
Tarkastelemalla geneettisen eriytymisen määrää eri pankkien yksilöiden välillä, nykyaikaiset luonnontieteilijät pystyvät jäljittämään suunnilleen kuinka paljon aikaa on kulunut siitä, kun nämä populaatiot aloittivat itsenäisen evoluutiohistoriansa. Biologit eivät voi päästä yksimielisyyteen siitä, mikä rooli näillä joilla oli niiden lajien evoluutiohistoriassa, joita ne tällä hetkellä jakavat.
Yksi ilmeinen mahdollisuus on, että esi-isien lajien leviäminen leikattiin vasta muodostetun joen toimesta, eristäen metsien suuret palot. Rajapopulaatiot muuttuisivat hitaasti ja erottuisivat toisistaan. Riittävän ajan kuluttua heidän eroistaan tulee niin suuria, että he eivät enää tunnista toisiaan potentiaalisina parikavereina, joiden kanssa pariksi muodostua ja kasvattaa jälkeläisiä - heistä tulisi erilaisia lajeja. Tästä ideasta tuli tunnetuksi jokivenymähypoteesi. Se on vanhin selitys sille, miksi Amazoniassa on niin paljon lajeja.
Vaihtoehtoinen malli viittaa siihen, että joet toimivat toissijaisina esteinä. Tämän idean mukaan, vaikka joilla onkin tärkeä määritellä lajien maantieteelliset rajat, joilla ei ollut mitään tekemistä sen esi-isäkannan alkuperäisen erottelun kanssa.
On kuitenkin vaikea olla esittämättä ilmeisintä kysymystä täällä. Linnut harjoittavat eeppisiä pitkän matkan muuttoliikkeitä ja pystyvät matkustamaan navasta napaan. Kuinka maailmassa Amazonin joki, jopa suuri, voisi edustaa suurta osaa esteestä? Eikö linnut voi yksinkertaisesti lentää joen yli, yhdistyä sukulaistensa kanssa ja välttää tulemasta kahdeksi erilaiseksi lajiksi?
Lyhyt vastaus ei ilmeisesti ole. Monille metsäasumislajeille joet todella näyttävät olevan ylitsepääsemättömiä esteitä. Kokeet osoittavat, että monet lintulajit eivät kykene lentämään edes sata jaardia avoimen maiseman yli, puhumattakaan siitä, että se ylittää useita kilometrejä mahtavasta Amazonian joesta.
Joiden roolin testaaminen lintujen evoluutiossa
Ensimmäinen askel oli kartoittaa näiden parien korvaamisen tarkka sijainti yläosassa. Kaikkien tutkittujen parien tiedettiin vaihtavan alemman Rio Negro -alueen yli, joka on joissain paikoissa jopa 10 kilometriä. Yläosassa joki on kuitenkin paljon kapeampi ja korvauskuviot monimutkaistuvat, mukaan lukien pienet joet.
Kun populaatioiden väliset erot ovat suhteellisen suuret - kuten höyhenkuviot, värit tai kappale -, paria pidetään usein eri lajeina. Kun erot ovat vähäisiä - kuten koko tai höyhen sävy tai sävy -, ornitologit pyrkivät pitämään niitä eri alalajeina. Olipa kyse lajeista tai alalajeista, biologit kutsuvat niitä "taksonipareiksi".
Ensimmäinen askel oli kartoittaa lintujen korvausmalleja. Vaikka kaikki parit ovat tällä hetkellä alemman Rio Negro -rajan rajoittuneita, ylävirralla on erilaisia vaihtokuvioita, mukaan lukien Rio Branco. (Naka et ai.) Tutkimme yksityiskohtaisesti 74 paria taksia, joiden alueet jaettiin Rio Negro -ryhmän ja sen suurimman sivujoen Rio Brancon eri yhdistelmillä. Nämä kaksi jokea ovat kymmenien lintulajien biogeografisia esteitä. Yli vuosikymmenen kenttätyön jälkeen ja suurten Brasilian ja Yhdysvaltojen museoiden ja kokoelmien myötä tiimimme oli hankkinut jakelu- ja geneettisiä tietoja melkein kaikista lintulajeista ja alalajeista, jotka olivat erilaisia joen kummallakin puolella.
Perustelimme, että jos joki levitti maiseman ja erotti useita lintukantoja samanaikaisesti, parien tulisi esiintyä suunnilleen samanlaisilla eroaikoilla. Jos joet toimivat toissijaisina esteinä, pareilla on todennäköisesti koko ikäryhmä. Tässä tapauksessa parit voivat olla vanhempia kuin joet, jotka tällä hetkellä rajoittavat levinneisyyttään, koska tämän mallin mukaan lajin alkuperäinen jakautuminen kahteen ei riipu joen syntymisestä.
Tutkijat käyttivät molekyylitietoja selvittääkseen, kuinka kauan sitten jokainen 74 lintuparista eroaa toisistaan. Vaakatasot peittävät uskottavat välit ottaen huomioon ajoituksen epävarmuustekijät. Suurin osa pareista erottui kauan ennen kuin kaksi jokea oli olemassa nykyisessä muodossaan. (Naka et ai.) Käytimme aikakalibroitua molekyylitietoa selvittääksemme suunnilleen milloin kaikki 74 sukulaista lintupariamme menivät evoluutiossa omalla tavallaan. Jotkut geenit mutatoituvat ennustettavissa olevilla, tasaisilla nopeuksilla, jolloin tutkijat voivat arvioida ajan, joka on kulunut minkä tahansa tietyn eliöparin erottua. Mitä enemmän muutoksia heidän genomissaan tapahtuu, sitä kauemmin on kulunut siitä, kun heillä oli yhteinen esi-isä. Se on kuin tutkittaessa sitä, mitä tutkijat kutsuvat ”molekyylikellona”.
Guianan Toucanet (Selenidera piperivora) korvataan Tawny-sorvatulla Toucanetilla (S. nattereri) tällä alueella. Tämä on analyysin vanhin pari, erotettu noin 8 miljoonaa vuotta sitten. (Luciano Nicolas Naka) Tarkastellessamme lintujen näytteiden molekyylikelloja havaitsimme, että poikkeavuustapahtumat eivät olleet ryhmiteltyä tietyssä ajassa. Sen sijaan ne vaihtelivat 0, 2–8 miljoonaa vuotta sitten. Joten on epätodennäköistä, että kaikki lintuparit, jotka tällä hetkellä on jaettu yhdellä esteellä, kuten neeger tai branco, syntyisivät näiden jokien synnyssä.
Lisäksi geomorfologiset tiedot viittaavat siihen, että nämä joet vahvistivat nykyisen sijaintinsa suhteellisen äskettäin. Arvioidut päivämäärät Rio Negroon ovat noin miljoona vuotta, kun taas Rio Branco on ilmeisesti paljon uudempi, noin 20 000 vuotta. Siksi molemmat joet näyttävät olevan paljon nuorempia kuin useimmat lintuparit, joita ne tällä hetkellä jakavat, tukeen toissijaista kosketusmallia: Joet ylläpitävät nykyään rajaa, mutta ajoitus osoittaa, etteivät ne olisi voineet olla vastuussa alun perin suurimman osan lintuparien erottamisesta. opiskelimme.
Toisaalta Rio Negro näyttää näyttävän olevan miljoonan vuoden historia täällä. Mallimme eivät voi hylätä yhteistä monipuolistamistapahtumaa, joka tapahtuu noin iässä 12 parin lintutaksonin parille, joiden DNA osoitti, että ne olivat poikenneet viimeisen miljoonan vuoden aikana. Joten vaikka useimpien tutkittujen parien alkuperä ei todennäköisesti liity jokien syntyyn, on mahdollista, että erityisesti Rio Negro edusti joidenkin lajien ensisijaista esteä.
Uusi tutkimus, julkaistu Science Advances -julkaisussa, tarjoaa vakuuttavaa näyttöä siitä, että Amazonian joella voi olla kaksinkertainen evoluutiorooli. Ne voivat toimia ensisijaisina esteinä joillekin suvulle, kuten joen esteen hypoteesi ehdottaa. Mutta useammin, ne toimivat toissijaisina esteinä useimmille lintulajille. Nämä tulokset ovat peräisin vain yhdeltä, vaikkakin tärkeältä Amazonian alueelta, ja vastaavat tutkimukset muilta vesistöalueilta sijoittavat tuloksemme laajempaan kontekstiin.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Luciano Nicolas Naka, eläintieteen professori, Brasilian yliopiston liittovaltion perimbubucon yliopisto ja vieraileva tutkija, Harvardin yliopisto
