Nowe odkrycia mogą wyjaśnić występowanie gorących punktów różnorodności biologicznej w regionach spokojnych tektonicznie.
Gdybyśmy mogli przewinąć taśmę ewolucji gatunków na całym świecie i odtworzyć ją do przodu przez setki milionów lat do dnia dzisiejszego, zobaczylibyśmy różnorodność biologiczną skupiającą się wokół regionów zamieszek tektonicznych. Regiony aktywne tektonicznie, takie jak Himalaje i Andy, są szczególnie bogate we florę i faunę ze względu na zmieniające się krajobrazy, które z czasem dzielą i różnicują gatunki.
Ale różnorodność biologiczna może również kwitnąć w niektórych regionach geologicznie spokojniejszych, gdzie tektonika nie wstrząsnęła ziemią od tysiącleci. Doskonałym przykładem są Appalachy: w ciągu setek milionów lat nie zaobserwowano dużej aktywności tektonicznej, a mimo to region ten jest znaczącym punktem różnorodności biologicznej słodkowodnych.
Teraz badanie MIT identyfikuje proces geologiczny, który może kształtować różnorodność gatunków w regionach nieaktywnych tektonicznie. W artykule opublikowanym w Science naukowcy donoszą, że erozja rzeczna może być motorem bioróżnorodności w tych starszych, spokojniejszych środowiskach.
Sprawdzają się w południowych Appalachach, a konkretnie w dorzeczu rzeki Tennessee, regionie znanym z ogromnej różnorodności ryb słodkowodnych. Zespół odkrył, że wraz z erozją rzek w różnych typach skał w regionie, zmieniający się krajobraz wypchnął gatunek ryby znany jako zielonopłetwa do różnych dopływów sieci rzecznej. Z biegiem czasu te oddzielone populacje rozwinęły się we własne odrębne linie.
Zespół spekuluje, że erozja prawdopodobnie doprowadziła zielonopłetwego dartera do dywersyfikacji. Chociaż oddzielone populacje wydają się zewnętrznie podobne, z charakterystycznymi zielonymi płetwami dartera zielonopłetwego, różnią się one zasadniczo składem genetycznym. Na razie oddzielone populacje są klasyfikowane jako jeden gatunek.
„Dajmy temu procesowi erozji więcej czasu, a myślę, że te oddzielne linie rodowe staną się różnymi gatunkami”, mówi Maya Stokes PhD ’21, która wykonała część pracy jako doktorantka na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT ( EAPS).
Zawiązka zielonopłetwa może nie być jedynym gatunkiem, który zróżnicował się w wyniku erozji rzecznej. Naukowcy podejrzewają, że erozja mogła skłonić wiele innych gatunków do dywersyfikacji w całym basenie i prawdopodobnie w innych nieaktywnych tektonicznie regionach na całym świecie.
„Jeśli potrafimy zrozumieć czynniki geologiczne, które przyczyniają się do różnorodności biologicznej, możemy lepiej ją chronić” – mówi Taylor Perron, profesor Cecil and Ida Green z nauk o Ziemi, atmosferze i planetach w MIT.
Współautorami badania są współpracownicy z Yale University, Colorado State University, University of Tennessee, University of Massachusetts w Amherst oraz Tennessee Valley Authority (TVA). Stokes jest obecnie adiunktem na Florida State University.
Ryby na drzewach
Nowe badanie wyrosło z pracy doktorskiej Stokes na MIT, gdzie ona i Perron badali powiązania między geomorfologią (badanie ewolucji krajobrazów) a biologią. Natknęli się na pracę w Yale Thomasa Neara, który bada linie rodowe północnoamerykańskich ryb słodkowodnych. Near wykorzystuje dane sekwencji DNA zebrane od ryb słodkowodnych w różnych regionach Ameryki Północnej, aby pokazać, jak i kiedy niektóre gatunki ewoluowały i rozdzieliły się względem siebie.
Near przyniósł zespołowi ciekawą obserwację: mapę rozmieszczenia siedlisk zielonopłetwego, pokazującą, że ryba została znaleziona w dorzeczu rzeki Tennessee – ale tylko w południowej części. Co więcej, Near dysponował danymi sekwencji mitochondrialnego DNA pokazującymi, że populacje ryb różnią się składem genetycznym w zależności od dopływu, w którym zostały znalezione.
Aby zbadać przyczyny tego wzorca, Stokes zebrał próbki tkanki zielonopłetwego dartera z obszernej kolekcji Neara w Yale, a także z terenu z pomocą kolegów z TVA. Następnie przeanalizowała sekwencje DNA z całego genomu i porównała geny każdej pojedynczej ryby z każdą inną rybą w zbiorze danych. Następnie zespół stworzył drzewo filogenetyczne zawiązki zielonopłetwej, opierając się na podobieństwie genetycznym między rybami.
Z tego drzewa zaobserwowali, że ryby w dopływie były bardziej ze sobą spokrewnione niż z rybami w innych dopływach. Co więcej, ryby z sąsiednich dopływów były do siebie bardziej podobne niż ryby z bardziej odległych dopływów.
„Nasze pytanie brzmiało: czy mógł istnieć mechanizm geologiczny, który z biegiem czasu wziął ten pojedynczy gatunek i podzielił go na różne, odrębne genetycznie grupy?” mówi Peron.
Zmieniający się krajobraz
Stokes i Perron zaczęli obserwować „ścisłą korelację” między siedliskami zielonopłetwych lotek a rodzajem skały, w której się znajdują. W szczególności znaczna część południowej części dorzecza Tennessee, gdzie gatunek ten jest obfity, jest zbudowana ze skał metamorficznych, podczas gdy północna połowa składa się ze skał osadowych, w których nie występują ryby.
Zaobserwowali również, że rzeki płynące przez skały metamorficzne są bardziej strome i węższe, co generalnie powoduje więcej turbulencji, co wydaje się preferować przez zielonopłetwe lotki. Zespół zastanawiał się: czy rozmieszczenie siedlisk zielonopłetwego lotnika mogło zostać ukształtowane przez zmieniający się krajobraz typu skalnego, w miarę jak rzeki erodowały z biegiem czasu?
Aby sprawdzić ten pomysł, naukowcy opracowali model do symulacji ewolucji krajobrazu, gdy rzeki erodują przez różne rodzaje skał. Przekazali modelowi informacje o typach skał w dzisiejszym dorzeczu Tennessee, a następnie przeprowadzili symulację z powrotem, aby zobaczyć, jak ten sam region mógł wyglądać miliony lat temu, kiedy odsłonięto więcej skał metamorficznych.
Następnie uruchomili model i zaobserwowali, jak ekspozycja skał metamorficznych kurczyła się w czasie. Zwrócili szczególną uwagę na to, gdzie i kiedy połączenia między dopływami przecinały się w skałach niemetamorficznych, blokując przepływ ryb między tymi dopływami. Sporządzili prostą oś czasu tych zdarzeń blokujących i porównali ją z drzewem filogenetycznym rozbieżnych lotek zielonopłetwych. Obie były zadziwiająco podobne: ryby zdawały się tworzyć odrębne linie rodowe w tej samej kolejności, jak wtedy, gdy ich odpowiednie dopływy zostały oddzielone od pozostałych.
“Oznacza to, że jest prawdopodobne, że erozja przez różne warstwy skał spowodowała izolację między różnymi populacjami żółtodzioba i spowodowała dywersyfikację linii” – mówi Stokes.
Badania te były częściowo wspierane przez Terra Catalyst Fund i amerykańską Narodową Fundację Nauki w ramach programu geochronologicznego AGeS i programu stypendialnego dla absolwentów badań naukowych. Pracując na MIT, Stokes otrzymał wsparcie w ramach Martin Fellowship for Sustainability i Hugh Hampton Young Fellowship.