Όταν ο νέος φυσιοδίφης Alfred R. Wallace έφυγε από την Αγγλία για να εξερευνήσει τον Νέο Κόσμο το 1848, μια από τις βασικές παρατηρήσεις του στην περιοχή του Αμαζονίου ήταν ότι μεγάλα ποτάμια ήταν αξεπέραστα εμπόδια για ορισμένα είδη ζώων, ιδιαίτερα τα πρωτεύοντα και τα πουλιά. Ακόμη πιο ενδιαφέρον, παρατήρησε ότι τα στενά συνδεδεμένα είδη συχνά κατέλαβαν δάση σε αντίθετες πλευρές ενός ποταμού, αλλά δεν βρέθηκαν ποτέ μαζί.
Πράγματι, υπάρχουν εκατοντάδες παραδείγματα ζευγών σταυροειδών μεταξύ των πτηνών του Αμαζονίου, ένα φαινόμενο που δεν παρατηρείται οπουδήποτε αλλού στη Γη. Σχεδόν το ένα τρίτο των περίπου 240 ειδών πτηνών που ζουν συνήθως στα δάση στη μία πλευρά του χαμηλότερου Rio Negro στη Βραζιλία αντικαθίστανται από ένα στενά συνδεδεμένο είδος στην άλλη πλευρά. Για παράδειγμα, στην αριστερή όχθη θα δείτε Black-Spotted Barbets ( Capito niger ) με κόκκινα λαιμό. Στη δεξιά όχθη θα δείτε μόνο τα στενά συγγενή Barbbet ( Capito auratus ) με πορτοκαλί λαιμούς.
Οι Μπαρτσελόνοι μαύροι και συνδηλωμένοι διαμένουν χωρισμένοι, χωρίζονται από το χαμηλότερο Rio Negro και Rio Branco στον Αμαζόνιο της Βραζιλίας. (Andreza Silva) Οι ποταμοί του Αμαζονίου με εντυπωσίασαν από τότε που επισκέφθηκα την περιοχή το 1999 και αποτέλεσαν το επίκεντρο της έρευνας μου ως τροπικός βιολόγος. Ήμουν γοητευμένος από τα μοντέλα αντικατάστασης που περιέγραψε ο Wallace και πέρασε αμέτρητες ώρες μελετώντας τους χάρτες διανομής των πτηνών.
Παρά τα χρόνια σπουδών, ωστόσο, οι εξελικτικοί βιολόγοι παραμένουν αβέβαιοι για το ρόλο που διαδραμάτισαν τα ποτάμια στη διαδικασία των ειδών της Αμαζονίας. Οι ποταμοί δημιουργούν νέα είδη; Ή απλά να λειτουργούν ως δευτερεύοντες φραγμοί, παρέχοντας φυσικά όρια για είδη που σχηματίζονται αλλού; Μήπως όλες αυτές οι συζευγμένες γραμμώσεις αποκλίνουν ταυτόχρονα, χωρίζονται από ένα κοινό φράγμα; Ή μήπως κάθε είδος ακολουθεί το δικό του εξελικτικό μονοπάτι;
Η μελέτη επικεντρώθηκε σε είδη πτηνών των οποίων οι κατανομές περιορίζονται από δύο βιογεωγραφικά εμπόδια: το Rio Negro και το Rio Branco, που βρίσκονται στην ασπίδα της Γουιάνας στη βόρεια Αμαζονία. (Naka et αϊ) Αυτά ήταν τα ερωτήματα που καθοδήγησαν τους συναδέλφους μου και εγώ όταν ξεκινήσαμε να εξερευνήσουμε τον Ρίο Νερό, που είναι ακόμα μια από τις πιο παρθένες περιοχές της Αμαζονίας. Όπως και οι αποστολές που διεξήγαγαν οι παλαιότεροι φυσιοδίφες, οι δικές μας περιλάμβαναν μακριές διαδρομές με πλοίο για να φτάσουν σε απομακρυσμένες περιοχές. Αλλά είμαστε οπλισμένοι με ηλεκτρονικούς υπολογιστές, ψηφιακές εικόνες, συσκευές GPS, ψηφιακούς καταγραφείς ήχου και υγρό άζωτο για να κρατήσουμε τα δείγματά μας σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες μέχρι να μπορέσουμε να εκτελέσουμε γενετική ανάλυση στο εργαστήριο. Το σχέδιό μας ήταν να χρησιμοποιήσουμε δείγματα ιστών από πουλιά σε αντίθετες πλευρές του ποταμού για να αξιολογήσουμε την εξελικτική τους ιστορία.
Εξελίσσεται από ένα είδος σε δύο
Μελετώντας την ποσότητα της γενετικής διαφοροποίησης μεταξύ ατόμων σε διαφορετικές τράπεζες, οι σύγχρονοι φυσιοδίφες είναι σε θέση να εντοπίσουν περίπου πόσο καιρό έχει περάσει από τότε που αυτοί οι πληθυσμοί ξεκίνησαν την ανεξάρτητη εξελικτική ιστορία τους. Αυτό που οι βιολόγοι δεν μπορούν να συμφωνήσουν είναι ο ρόλος που έπαιξαν αυτά τα ποτάμια στην εξελικτική ιστορία των ειδών που διαιρούν σήμερα.
Μια προφανής πιθανότητα είναι ότι το φάσμα των προγονικών ειδών διαχωρίστηκε από ένα νεοσύστατο ποτάμι, απομονώνοντας μεγάλα κομμάτια δασών. Οι πληθυσμοί αποκοπής θα αλλάζουν σιγά σιγά και θα διαφοροποιούνται ο ένας από τον άλλο. Δεδομένου ότι υπάρχει αρκετός χρόνος, οι διαφορές τους θα γίνονταν αρκετά μεγάλες ώστε να μην αναγνωρίζουν πλέον ο ένας τον άλλον ως πιθανούς συντρόφους με τους οποίους να ζευγαρώσουν και να αυξήσουν τους απογόνους - θα γίνουν διαφορετικά είδη. Αυτή η ιδέα έγινε γνωστή ως η υπόθεση του ποταμού φραγμού. Είναι η παλαιότερη εξήγηση γιατί υπάρχουν τόσα είδη στην Αμαζονία.
Ένα εναλλακτικό μοντέλο υποδηλώνει ότι τα ποτάμια λειτουργούν ως δευτερεύοντα εμπόδια. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, αν και σήμερα είναι σημαντικό να καθοριστούν τα γεωγραφικά όρια των ειδών, τα ποτάμια δεν είχαν καμία σχέση με τον αρχικό διαχωρισμό αυτού του προγονικού πληθυσμού.
Είναι δύσκολο να μην θέσετε εδώ την πιο προφανή ερώτηση εδώ. Τα πουλιά ασχολούνται με επικές μεταναστεύσεις μεγάλων αποστάσεων και είναι σε θέση να ταξιδεύουν από πόλο σε πόλο. Πώς στον κόσμο θα μπορούσε ένας ποταμός του Αμαζονίου, ακόμα και ένας μεγάλος, να αποτελέσει ένα μεγάλο εμπόδιο; Δεν μπορούν τα πτηνά να πετάξουν απλά πέρα από τον ποταμό, να επανενωθούν με τους συγγενείς τους και να αποφύγουν να γίνουν δύο διαφορετικά είδη;
Η σύντομη απάντηση είναι προφανώς όχι. Για πολλά είδη δασικών κατοικιών, τα ποτάμια μοιάζουν να αποτελούν ανυπέρβλητα εμπόδια. Τα πειράματα δείχνουν ότι πολλά είδη πτηνών δεν είναι ικανά να πετάξουν ακόμη και εκατό μέτρα πάνω από το ανοιχτό τοπίο, πόσο μάλλον θα διασχίσουν αρκετά χιλιόμετρα ενός ισχυρού ποταμού Αμαζονίου.
Δοκιμή του ρόλου των ποταμών στην εξέλιξη των πτηνών
Το πρώτο μας βήμα ήταν να χαρτογραφήσουμε την ακριβή θέση αυτών των αντικαταστάσεων ζευγαριών προς τα πάνω. Όλα τα ζευγάρια που μελετήθηκαν ήταν γνωστά στον κύκλο εργασιών στο χαμηλότερο Rio Negro, το οποίο κυμαίνεται σε πλάτος περίπου 10 χιλιομέτρων. Αντίθετα, ο ποταμός είναι πολύ στενότερος και τα πρότυπα αντικατάστασης γίνονται πιο περίπλοκα, με μικρά ποτάμια.
Όταν οι διαφορές μεταξύ των πληθυσμών είναι σχετικά μεγάλες - όπως τα μοτίβα φτερών, τα χρώματα ή τα ζεύγη τραγουδιών θεωρούνται συχνά διαφορετικά είδη. Όταν οι διαφορές είναι λεπτές - όπως το μέγεθος ή η απόχρωση του φτερού ή ο τόνος - οι ορνιθολόγοι τείνουν να τα θεωρούν διαφορετικά υποείδη. Είτε ζεύγη ειδών ή ζεύγη υποειδών, οι βιολόγοι τους αναφέρονται ως "ζεύγη ταξινομικών".
Το πρώτο βήμα ήταν να χαρτογραφηθούν τα μοντέλα υποκατάστασης των πτηνών. Παρόλο που όλα τα ζεύγη οριοθετούνται επί του παρόντος από το χαμηλότερο Rio Negro, υπάρχουν διαφορετικά μοντέλα αντικατάστασης, συμπεριλαμβανομένου του Rio Branco. (Naka et αϊ) Ερευνήσαμε λεπτομερώς 74 ζεύγη ταξινομικών αριθμών των οποίων οι σειρές χωρίστηκαν από διάφορους συνδυασμούς του Rio Negro και του μεγαλύτερου παραπόταμου του Rio Branco. Αυτοί οι δύο ποταμοί είναι και βιογεωγραφικοί φραγμοί για δεκάδες είδη πτηνών. Μετά από περισσότερο από μια δεκαετία επιτόπιας εργασίας και με τη συνεισφορά σημαντικών μουσείων και συλλογών της Βραζιλίας και των ΗΠΑ, η ομάδα μας είχε αποκτήσει διανεμητικά και γενετικά δεδομένα για όλα σχεδόν τα είδη πτηνών και υποείδη που διέφεραν σε κάθε πλευρά του ποταμού.
Θεωρήσαμε ότι εάν ένας ποταμός ανατομήσει το τοπίο και διαχωρίσει πολλούς πληθυσμούς των πτηνών ταυτόχρονα, τα ζευγάρια θα πρέπει να παρουσιάζουν σχεδόν παρόμοιους χρόνους απόκλισης. Εάν τα ποτάμια ενήργησαν ως δευτερεύοντα εμπόδια, τα ζευγάρια θα παρουσιάσουν πιθανώς μια ολόκληρη σειρά ηλικιών. Στην περίπτωση αυτή, τα ζεύγη θα μπορούσαν να είναι παλαιότερα από τα ποτάμια που δεσμεύουν επί του παρόντος τις διανομές τους, αφού σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, η αρχική κατανομή ενός είδους σε δύο δεν εξαρτάται από την εμφάνιση του ποταμού.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα μοριακά δεδομένα για να προσδιορίσουν πόσο καιρό πριν από κάθε ζεύγος 74 πουλιών αποκλίνονταν. Οι οριζόντιες ράβδοι καλύπτουν αξιόπιστα διαστήματα, λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες του χρόνου. Τα περισσότερα ζεύγη διαχωρίστηκαν πολύ πριν από την ύπαρξη των δύο ποταμών στις σημερινές τους μορφές. (Naka et αϊ) Χρησιμοποιήσαμε χρονικά διαβαθμισμένα μοριακά δεδομένα για να υπολογίσουμε περίπου όταν τα 74 ζευγάρια των σχετικών πουλιών πήγαν ξεχωριστά, εξελικτικά. Ορισμένα γονίδια μεταλλάσσονται σε προβλέψιμα, σταθερά ποσοστά, επιτρέποντας στους επιστήμονες να υπολογίζουν το χρόνο που έχει περάσει, δεδομένου ότι οποιοδήποτε δεδομένο ζεύγος οργανισμών αποκλίνει. Όσο περισσότερες αλλαγές στα γονιδιώματά τους, τόσο περισσότερο είναι από τότε που μοιράζονταν ένας κοινός πρόγονος. Είναι σαν να εξετάζουμε τι λένε οι ερευνητές ως "μοριακό ρολόι".
Το Guianan Toucanet (Selenidera piperivora), αντικαθίσταται από το Tawny-tufted Toucanet (S. nattereri) στην περιοχή αυτή. Αυτό είναι το παλαιότερο ζευγάρι στην ανάλυση, χωρισμένο περίπου πριν από 8 εκατομμύρια χρόνια. (Luciano Nicolas Naka) Όταν εξετάσαμε τα μοριακά ρολόγια των δειγμάτων πουλιών μας, διαπιστώσαμε ότι τα γεγονότα απόκλισης δεν συγκεντρώνονταν σε ένα συγκεκριμένο χρονικό πλαίσιο. Αντ 'αυτού, κυμαίνονταν από 0, 2 έως 8 εκατομμύρια χρόνια πριν. Επομένως, είναι απίθανο όλα τα ζευγάρια πτηνών που επί του παρόντος να χωρίζονται από ένα κοινό φράγμα, όπως ο νέγος ή ο Branco, να προέρχονται από τη γένεση αυτών των ποταμών.
Επιπλέον, γεωμορφολογικά δεδομένα υποδηλώνουν ότι αυτά τα ποτάμια καθόρισαν τις πρόσφατες θέσεις τους σχετικά πρόσφατα. Οι κατά προσέγγιση ημερομηνίες για το Rio Negro είναι περίπου ένα εκατομμύριο χρόνια, ενώ το Rio Branco είναι προφανώς πολύ πιο πρόσφατο, περίπου 20.000 χρόνια. Ως εκ τούτου, και τα δύο ποτάμια φαίνεται να είναι πολύ νεώτερα από τα περισσότερα ζεύγη πουλιών που χωρίζουν επί του παρόντος, υποστηρίζοντας το μοντέλο δευτερογενούς φραγμού επαφής: Τα ποτάμια διατηρούν σήμερα ένα όριο, αλλά ο χρόνος υποδηλώνει ότι δεν θα ήταν υπεύθυνοι για τον αρχικό διαχωρισμό των περισσότερων ζευγών πτηνών μελετήσαμε.
Από την άλλη πλευρά, το Rio Negro φαίνεται να έχει ιστορία εκατομμυρίων ετών εδώ. Τα μοντέλα μας δεν μπορούν να απορρίψουν μια κοινή εκδήλωση διαφοροποίησης που συμβαίνει γύρω από αυτήν την ηλικία για 12 ζεύγη πτηνών, των οποίων το DNA έδειξε ότι είχαν αποκλίνει μέσα στο τελευταίο εκατομμύριο χρόνια. Έτσι, ενώ η προέλευση των περισσότερων ζευγαριών που μελετήθηκαν πιθανότατα δεν σχετίζεται με τη γένεση των ποταμών, είναι πιθανό ότι ο Ρίο Νεγκρό, ειδικότερα, αποτελούσε πρωταρχικό εμπόδιο για ορισμένα είδη.
Η νέα μας μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances, προσφέρει αναμφισβήτητα στοιχεία ότι τα ποτάμια του Αμαζονίου μπορούν να διαδραματίσουν έναν διπλό αναπτυξιακό ρόλο. Μπορούν να λειτουργήσουν ως κύριοι φραγμοί για κάποιες γενεές, όπως προτείνεται από την υπόθεση του ποταμού φραγμού. Αλλά πιο συχνά, λειτουργούν ως δευτερεύοντα εμπόδια για τις περισσότερες γενεές των πτηνών. Αυτά τα αποτελέσματα προέρχονται από μία μόνο, αν και σημαντική, περιοχή του Αμαζονίου και παρόμοιες μελέτες από άλλες λεκάνες θα φέρουν τα αποτελέσματά μας σε ένα ευρύτερο πλαίσιο.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Luciano Nicolas Naka, Καθηγητής Ζωολογίας, Universidade Federal de Pernambuco, Βραζιλία και Visiting Scholar, Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ
