Ko je mladi naravoslovec Alfred R. Wallace leta 1848 zapustil Anglijo, da bi raziskal Novi svet, je bilo eno njegovih ključnih opazovanj v amazonski regiji to, da so velike reke neprekosljive ovire za nekatere vrste živali, zlasti primate in ptice. Še bolj zanimivo je opazil, da so tesno povezane vrste pogosto zasedale gozdove na nasprotnih straneh reke, vendar jih skupaj nikoli ni bilo mogoče najti.
Dejansko je na stotine primerov čezrečnih parov med amazonskimi pticami, ki jih nikjer drugje na Zemlji še nismo videli. Skoraj tretjino od približno 240 vrst ptic, ki običajno naseljujejo gozdove na eni strani spodnjega Rio Negro v Braziliji, nadomestijo tesno povezane vrste na drugi strani. Na levem bregu boste na primer videli črno-pikaste barbete ( Capito niger ) z rdečimi grli. Na desnem bregu boste videli le tesno povezane Guilded Barbets ( Capito auratus ) z oranžnimi grli.
Črno pegave in pozlačene barbete živijo narazen, ločujeta jih spodnji Rio Negro in Rio Branco v brazilski Amazoniji. (Andreza Silva) Amazonske reke so me očarale, odkar sem leta 1999 prvič obiskal to regijo in so bile glavni fokus mojih raziskav kot tropski biolog. Očarali so me nadomestni vzorci, ki jih je opisal Wallace, in nešteto ur sem preučeval zemljevide distribucije ptic.
Kljub dolgoletnim raziskavam pa evolucijski biologi še vedno ne vedo, kakšno vlogo so imele reke v postopku specifikacije v Amazoniji. Ali reke ustvarjajo nove vrste? Ali preprosto delujejo kot sekundarne ovire in zagotavljajo naravne meje vrstam, ki se oblikujejo drugje? Ali so se vse te seznanjene linije ločile istočasno, razdeljene s skupno oviro? Ali je vsaka vrsta sledila svoji evolucijski poti?
Študija se je osredotočila na vrste ptic, katerih distribucijo omejujeta dve biogeografski oviri: Rio Negro in Rio Branco, ki se nahajata v Gvajanskem ščitu v severni Amazoniji. (Naka et al) To so vprašanja, ki so vodila moje kolege in mene, ko smo se odpravili raziskovati Rio Negro, še vedno eno najbolj neokrnjenih regij Amazonije. Tako kot ekspedicije, ki so jih izvajali prejšnji naravoslovci, je tudi naša vključevala dolga potovanja s čolni, da bi dosegla oddaljene lokacije. Toda bili smo oboroženi z računalniki, digitalnimi posnetki, GPS napravami, digitalnimi zvočnimi snemalniki in tekočim dušikom, da bi vzorce obdržali pri zelo nizkih temperaturah, dokler nismo mogli opraviti genetske analize nazaj v laboratoriju. Naš načrt je bil uporabiti vzorce tkiv s ptic na nasprotnih straneh reke za oceno njihove evolucijske zgodovine.
Razvija se od ene do druge vrste
Sodobni naravoslovci lahko s pogledom na količino genetske diferenciacije med posamezniki na različnih bregovih približno ugotovijo, koliko časa je minilo, odkar so te populacije začele svoje neodvisne evolucijske zgodovine. Biologi se ne morejo strinjati s tem, kakšno vlogo so te reke igrale v evolucijski zgodovini vrst, ki jih trenutno delijo.
Ena očitna možnost je, da je območje prednikov presekal novo nastala reka, ki je izolirala velike koščke gozdov. Populacije Cutoffa bi se počasi spreminjale in razlikovale med seboj. Če bi imeli dovolj časa, bi njihove razlike postale dovolj velike, da se ne bi več poznali kot potencialni pari, s katerimi lahko parijo in vzgajajo potomce - postali bi različne vrste. Ta ideja je postala znana kot hipoteza o rečni oviri. To je najstarejša razlaga, zakaj je v Amazoniji tako veliko vrst.
Alternativni model kaže, da reke delujejo kot sekundarne ovire. Po tej ideji, čeprav so trenutno pomembne za določitev geografskih omejitev vrst, reke nimajo ničesar skupnega s prvotno ločitvijo te populacije prednikov.
Težko pa si tukaj ne zastavite najbolj očitnega vprašanja. Ptice se vključijo v epske migracije na dolge razdalje in lahko potujejo od pola do pola. Kako lahko na svetu Amazonska reka, tudi velika, predstavlja veliko oviro? Ali ptice ne morejo preprosto leteti čez reko, se ponovno združiti s svojci in se izogniti temu, da bi postali dve različni vrsti?
Kratek odgovor očitno ni. Za številne vrste gozdnih vrst se zdijo reke res nepremostljive ovire. Poskusi kažejo, da številne vrste ptic niso sposobne preleteti niti sto metrov nad odprto pokrajino, kaj šele prečkati nekaj kilometrov mogočne reke Amazonije.
Testiranje vloge rek v evoluciji ptic
Naš prvi korak je bil preslikati natančno lokacijo vzporednika za zamenjave parov. Znano je bilo, da so se vsi preučeni pari vrteli po spodnjem Rio Negro, ki se ponekod giblje kar 10 kilometrov. Kljub temu je reka precej ožja in nadomestni vzorci se zapletejo, vključujejo manjše reke.
Kadar so razlike med populacijami sorazmerno velike - kot vzorci perja, barve ali pari pesmi pogosto veljajo za različne vrste. Kadar so razlike subtilne - na primer velikost ali odtenek perja ali ton -, jih ornitologi obravnavajo kot različne podvrste. Ne glede na to, ali gre za pare vrst ali parov podvrst, jih biologi označujejo kot "pare taksonov".
Prvi korak je bil preslikava vzorcev nadomeščanja ptičja. Čeprav so vsi pari trenutno omejeni s spodnjim Rio Negro, obstajajo različni nadomestni vzorci navzgor, vključno z Rio Branco. (Naka et al) Podrobno smo raziskali 74 parov taksonov, katerih razpon je bil razdeljen z različnimi kombinacijami Rio Negro in njegovega največjega pritoka, Rio Branco. Ti dve reki sta biogeografski oviri za več deset vrst ptičjih vrst. Po več kot desetletju terenskega dela in s prispevkom večjih brazilskih in ameriških muzejev in zbirk je naša ekipa pridobila distribucijske in genetske podatke za skoraj vse vrste ptic in podvrst, ki so se razlikovale na obeh straneh reke.
Sklenili smo, da če bi reka secirala pokrajino in hkrati ločila veliko ptičjih populacij, bi morale pari predstavljati približno podobne čase razhajanja. Če bi reke delovale kot sekundarne ovire, bodo pari verjetno predstavljali celo vrsto starosti. V tem primeru bi bili pari lahko starejši od rek, ki trenutno omejujejo njihovo širjenje, saj po tem modelu prvotna delitev vrste na dva ni odvisna od nastanka reke.
Raziskovalci so uporabili molekularne podatke, da so določili, kako dolgo se je od 74 parov ptic razhajalo. Vodoravne palice zajemajo verodostojne intervale, pri čemer se upoštevajo časovne negotovosti. Večina parov se je ločila že dolgo, preden sta obe reki obstajali v sedanjih oblikah. (Naka et al) Časovno umerjene molekularne podatke smo uporabili, da smo približno ugotovili, kdaj je vsak od naših 74 parov sorodnih ptic evolucijsko prehodil svoje ločene poti. Nekateri geni mutirajo s predvidljivimi in enakomernimi hitrostmi, kar omogoča znanstvenikom, da ocenijo čas, ki preteče, odkar se kateri koli par organizmov razhaja. Več ko se spremenijo njihovi genomi, dlje je minilo, odkar so si delili skupnega prednika. To je kot gledanje tega, kar raziskovalci imenujejo "molekularna ura."
Guianan Toucanet (Selenidera piperivora) je v tej regiji nadomeščen s Touwny-tucanetom (S. nattereri). To je najstarejši par v analizi, ločen pred približno 8 milijoni let. (Luciano Nicolas Naka) Ko smo si ogledali molekularne ure vzorcev naših ptic, smo ugotovili, da se dogodki razhajanj niso združili v določenem časovnem okviru. Namesto tega so se gibale od 0, 2 do 8 milijonov let nazaj. Zato je malo verjetno, da so bili vsi ptičji pari, ki so trenutno razdeljeni s skupno pregrado, kot sta črn ali Branco, nastali z genezo teh rek.
Poleg tega geomorfološki podatki kažejo, da so te reke postavile svoj sedanji položaj relativno nedavno. Približni datumi za Rio Negro so približno milijon let, medtem ko je Rio Branco očitno veliko novejši, približno 20.000 let. Zato se zdi, da sta obe reki precej mlajši od večine ptičjih parov, ki jih trenutno ločujeta, kar podpira model sekundarne kontaktne ovire: Reke danes ohranjajo mejo, vendar čas kaže, da niso mogli biti odgovorni za prvotno ločitev večine parov ptic smo študirali.
Po drugi strani se zdi, da je Rio Negro tu že milijonsko letno zgodovino. Naši modeli ne morejo zavrniti običajnega dogodka diverzifikacije, ki se je zgodil približno pri tej starosti za 12 parov ptičjih taksonov, katerih DNK je nakazal, da so se v zadnjih milijonih let razšli. Čeprav izvor večine preučenih parov najverjetneje ni povezan z genezo rek, je verjetno, da je Rio Negro zlasti predstavljal glavno oviro za nekatere vrste.
Naša nova študija, objavljena v Science Advances, ponuja prepričljiv dokaz, da imajo lahko reke Amazonije dvojno evolucijsko vlogo. Delujejo lahko kot glavne ovire za nekatere robove, kot predlaga hipoteza o rečni oviri. Vendar pogosteje delujejo kot sekundarne ovire za večino ptičjih rodov. Ti rezultati izhajajo iz samo ene, čeprav pomembne, amazonske regije, podobne študije iz drugih bazenov pa bodo naše rezultate postavile v širši kontekst.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Luciano Nicolas Naka, profesor za zoologijo, Universidade Federal de Pernambuco, Brazilija in gostujoči znanstvenik, univerza Harvard
