شجره تکاملی سوسک چگونه نشان داده می شود

به گزارش مجله خبری نگار، سوسک‌های بدون پرواز ژاپنی از حدود ۱.۵ میلیون سال پیش از یک جد مشترک منشأ گرفته‌اند و اکنون به هشت زیرگونه نام‌گذاری‌شده تقسیم شده‌اند.

سوسک‌های باریک با حلزون‌های بزرگ‌تر و سوسک‌های تنومند با حلزون‌های کوچک‌تر ارتباط دارند.

تفاوت‌های تکاملی می‌توانند حتی بدون مانع دریایی و تنها بر اثر فاصله جغرافیایی و تفاوت‌های محیطی شکل بگیرند.

پژوهشی جدید نشان می‌دهد تکامل سوسک‌های بدون پرواز در ژاپن می‌تواند حتی بدون وجود یک مانع فیزیکی مانند دریا، جمعیت‌های یک گونه را به سمت شکل‌های بدنی متفاوت هدایت کند. این سوسک‌ها در برخی مناطق بدنی باریک و کشیده دارند و در مناطق دیگر کوتاه و تنومند هستند.

بخشی از این تفاوت را می‌توان با وجود دریا میان جزایر توضیح داد. با این حال، در هونشو، بزرگ‌ترین جزیره ژاپن، پژوهش جدید نشان می‌دهد جمعیت‌های شرقی و غربی این سوسک بدون وجود مانع آبی میان آنها، در مسیر‌های متفاوتی تکامل یافته‌اند.

فاصله جغرافیایی چگونه می‌تواند تکامل را تغییر دهد؟

در یک خشکی بزرگ، فاصله به‌تنهایی می‌تواند مانع تماس منظم جمعیت‌ها شود. وقتی جمعیت‌ها کمتر با یکدیگر ملاقات کنند، تبادل ژن میان آنها نیز کاهش می‌یابد.

نمونه‌های مشهور کتاب‌های زیست‌شناسی معمولاً شرایط متفاوتی دارند. در مورد سهره‌های داروین و مارمولک‌های جزایر دورافتاده اقیانوسی، میان جمعیت‌ها آب قرار دارد.

اما در مورد سوسک‌های بدون پرواز ژاپنی، پژوهشگران شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد حتی روی یک خشکی پیوسته نیز فاصله می‌تواند به شکل‌گیری تفاوت‌های تکاملی منجر شود.

DNA چگونه شجره تکاملی سوسک را آشکار کرد؟

Junji Konuma، دانشیار زیست‌شناسی در Toho University، تاریخچه تکاملی این سوسک را بازسازی کرد.

او در این پژوهش با Nobuaki Nagata از National Museum of Nature and Science و Teiji Sota از Kyoto University همکاری کرد.

تیم پژوهشی DNA مربوط به ۱۷۰ سوسک را که از ۷۰ محل جمع‌آوری شده بودند بررسی کرد. سپس این شجره تکاملی را با اندازه‌گیری سر و سینه در ۵۰ جمعیت مقایسه کرد.

شکل ظاهری جد مشترک و قدیمی سوسک‌ها که مدت‌ها پیش از بین رفته است، از روی این شجره تکاملی تخمین زده شد و به‌صورت مستقیم مشاهده نشده است.

Konuma در گفت‌وگویی با Earth.com گفت چیزی که بیش از همه او را شگفت‌زده کرد، شدت الگوی مشاهده‌شده در مناطق داخلی هونشو بود. این الگو در کنار تفاوت‌های شدیدتر در جزایر Sado و Hokkaido دیده شد؛ مناطقی که جمعیت‌های سوسک واقعاً به‌وسیله آب از یکدیگر جدا شده‌اند.

«ما اغلب دریا را عامل آشکاری برای واگرایی در جزایر می‌دانیم، اما نتایج ما نشان می‌دهد که تمایز سازشی قابل‌توجه می‌تواند حتی در جایی که مانع دریایی وجود ندارد نیز شکل بگیرد.»

سوسک بدون پرواز فقط می‌تواند راه برود

سوسک بدون پرواز با نام علمی Carabus blaptoides هنوز بال‌های عقبی دارد، اما این بال‌ها بیش از حد کوچک شده‌اند و امکان پرواز با آنها وجود ندارد؛ بنابراین این سوسک تمام مسیر‌های زندگی خود را روی زمین طی می‌کند. یک سوسک زمینی نیز در طول عمر خود نمی‌تواند مسافت بسیار زیادی را طی کند.

این موضوع از نظر تکاملی اهمیت زیادی دارد. جمعیت‌هایی که دیگر با یکدیگر ملاقات نمی‌کنند، تبادل ژن کمتری خواهند داشت. زیست‌شناسان به این تبادل جریان ژن یا gene flow می‌گویند.

در نبود جریان ژن، گروه‌های جداشده می‌توانند در مسیر‌های متفاوتی تغییر کنند.

در گونه‌های دیگری از سوسک‌های زمینی بدون پرواز نیز پژوهشگران جمعیت‌هایی را پیدا کرده‌اند که از نظر ژنتیکی حتی با فاصله یک یا دو مایل، یعنی چند کیلومتر، با یکدیگر تفاوت دارند.

یک جد مشترک برای جمعیت‌های ژاپنی

با بررسی DNA، تیم پژوهشی دریافت که تمام جمعیت‌های ژاپنی این سوسک به یک جد مشترک بازمی‌گردند که حدود ۱.۵ میلیون سال پیش زندگی می‌کرده است.

از آن زمان تاکنون، این سوسک به هشت زیرگونه نام‌گذاری‌شده تقسیم شده است که از Hokkaido در شمال تا Kyushu در جنوب پراکنده‌اند.

سوسک‌های باریک برای حلزون‌های بزرگ مناسب‌ترند

یک حلزون خشکی مانند غذایی است که داخل یک محفظه بسته قرار گرفته است. سوسک می‌تواند از دهانه صدف وارد شود یا با استفاده از یک جفت آرواره به نام mandibles پوسته را بشکند.

Konuma به Earth.com گفت:

«سوسک‌های باریک می‌توانند سر بلند خود را به عمق صدف حلزون‌های بزرگ وارد کنند، در حالی که سوسک‌های تنومند آرواره‌های قدرتمندی دارند که به آنها اجازه می‌دهد صدف حلزون‌های کوچک‌تر را بشکنند.»

او اضافه کرد:

«شکل بدنی که برای یک راهبرد تغذیه‌ای مناسب است، برای راهبرد دیگر مناسب نیست.»

بنابراین اینکه کدام شکل بدنی موفق‌تر باشد، به منوی غذایی محلی بستگی دارد.

حدود ۴۰ درصد از تقریباً ۱,۰۰۰ گونه متعلق به جنس Carabus عمدتاً از حلزون‌های خشکی تغذیه می‌کنند.

آزمایش‌های رفتاری نشان داده‌اند که بدن باریک زمانی مزیت دارد که عرض پوسته حلزون بیشتر از حدود ۱.۲ اینچ، معادل ۳۰ میلی‌متر باشد.

ژاپن هر دو نوع سوسک را دارد

ژاپن نمونه‌هایی از هر دو شکل افراطی را در خود جای داده است.

در Shikoku، حلزونی وجود دارد که قطر پوسته آن از ۲.۴ اینچ، معادل ۶۰ میلی‌متر بیشتر می‌شود.

سوسک‌های بدون پرواز Shikoku باریک‌ترین بدن را در میان جمعیت‌های این گونه دارند.

در Sado و Hokkaido، حلزون‌های محلی حدود ۱ تا ۱.۳ اینچ، معادل ۲۶ تا ۳۳ میلی‌متر عرض دارند.

این دو جزیره تنومندترین سوسک‌ها را در خود جای داده‌اند.

تکامل سوسک‌ها در داخل هونشو نیز از هم جدا شده است

مرز‌های آشکار جغرافیایی در ژاپن معمولاً تنگه‌ها هستند. اما در این مورد، یک خط گسلی زمین‌شناختی مرز مهمی را مشخص می‌کند.

خط تکتونیکی Itoigawa–Shizuoka از بخش میانی هونشو عبور می‌کند. گونه‌های حلزون‌های خشکی در دو سوی این خط نیز یکسان نیستند.

تیم Konuma پنج توضیح مختلف را برای چگونگی تغییر شکل بدن سوسک‌ها مقایسه کرد.

یکی از مدل‌ها فرض می‌کرد که کل گونه دارای یک شکل بدنی بهینه است.

مدل‌های دیگر مجمع‌الجزایر را بر اساس خط گسلی تقسیم می‌کردند.

مدل دیگری Hokkaido و Sado را در برابر سرزمین اصلی قرار می‌داد.

مدلی که بهترین تطابق را داشت، هر چهار منطقه را هم‌زمان در نظر می‌گرفت: هونشوی شرقی، هونشوی غربی، Hokkaido و Sado.

بر اساس این مدل، یک جمعیت تقریباً ۱۲۹,۰۰۰ سال زمان نیاز دارد تا نیمی از مسیر تکاملی خود را به سمت شکل بدنی مورد ترجیح منطقه طی کند.

آیا گونه جدید می‌تواند روی یک خشکی واحد شکل بگیرد؟

Earth.com از Konuma پرسید که شکل‌گیری گونه‌های جدید چگونه می‌تواند روی یک خشکی واحد آغاز شود.

او توضیح داد که در یک سوسک بدون پرواز با پراکنش بسیار محدود، حتی جمعیت‌هایی که به وسیله خشکی پیوسته به یکدیگر متصل هستند نیز می‌توانند به دلیل فاصله جغرافیایی تا حدی از یکدیگر جدا شوند و خود را با محیط‌ها و منابع غذایی محلی متفاوت سازگار کنند.

به گفته Konuma، چنین تفاوت‌هایی که هم‌زمان جنبه جغرافیایی و بوم‌شناختی دارند، ممکن است مرحله‌ای اولیه از فرایندی باشند که در نهایت به شکل‌گیری گونه‌های جداگانه منجر می‌شود.

یک ژن با شکل بدن سوسک ارتباط دارد

جزیره Sado حدود ۳۳۰ مایل مربع، معادل ۸۵۴ کیلومتر مربع وسعت دارد. آب از دوره میان‌پلیستوسن این جزیره را از هونشو جدا کرده است.

سوسک‌های این جزیره از نظر ظاهری تفاوت زیادی با نزدیک‌ترین جد بازسازی‌شده خود دارند؛ جمعیتی در جنوب Tohoku در سرزمین اصلی.

یک توضیح ساده برای این تفاوت می‌تواند شانس باشد. ممکن است چند سوسک به یک جزیره رسیده باشند و هر نسخه‌ای از ژن‌ها که به‌طور تصادفی همراه خود داشته‌اند، به نسل‌های بعد منتقل شده باشد.

اما تیم Konuma دو دلیل برای تردید در این توضیح دارد.

نخست اینکه اگر شانس تنها عامل این تغییر بود، انتظار می‌رفت شکل‌های بدنی مشابه و تصادفی در جمعیت‌های دیگر نیز دیده شوند. با این حال، موارد مشابهی در سایر نقاط مجمع‌الجزایر گزارش نشده است.

دلیل دوم ژنتیکی است. در پژوهش‌های قبلی، همین گروه شکل بدنی جمعیت Sado را به ژنی به نام odd-paired مرتبط کرده بود.

وقتی فعالیت این ژن کاهش پیدا می‌کند، بدن سوسک کوتاه و پهن می‌شود. همچنین بخشی از ژنوم که این ژن را کنترل می‌کند، نشانه‌هایی از انتخاب طبیعی دارد.

اندازه بدن از قانون متفاوتی پیروی می‌کند

شکل بدن تنها یک معیار است. اندازه بدن معیار دیگری است و رفتار متفاوتی دارد.

سوسک‌های بدون پرواز هرچه به سمت شمال می‌روند کوچک‌تر می‌شوند. سوسک‌های Hokkaido نیز کوچک‌ترین نمونه‌ها در میان تمام جمعیت‌ها هستند.

این روند برخلاف انتظار معمول درباره حیوانات مناطق سردسیر است؛ زیرا معمولاً انتظار می‌رود حیوانات در مناطق سرد بزرگ‌تر شوند.

در شمال، تابستان کوتاه است و لارو در حال رشد زمان کمتری برای تغذیه دارد.

حشرات ژاپنی دیگری نیز همین الگو را دنبال می‌کنند.

با این حال، مدل‌های مربوط به اندازه بدن بیش از حد خوب با داده‌ها تطابق داشتند. در مدل چهارمنطقه‌ای، یک جمعیت در کمتر از ۱,۰۰۰ سال به نیمی از مسیر رسیدن به اندازه منطقه‌ای خود می‌رسد.

این سرعت از شاخه‌های شجره تکاملی که برای مقایسه با آن استفاده شده، بیشتر است.

نویسندگان می‌گویند نتیجه‌ای با چنین سرعتی می‌تواند به‌سختی از نویز تصادفی داده‌ها تشخیص داده شود. به همین دلیل، آنها از استفاده از اندازه بدن برای تعیین اینکه جزایر یا فاصله جغرافیایی اهمیت بیشتری داشته‌اند، خودداری می‌کنند.

دو توضیح درباره تکامل شکل بدن همچنان قابل قبول است

تیم پژوهشی درباره نتایج مربوط به شکل بدن نیز محتاط است.

دو مورد از پنج مدل، یکی مبتنی بر خط گسلی و دیگری مبتنی بر تنگه‌ها، آن‌قدر تطابق نزدیکی با داده‌ها داشتند که این مطالعه نمی‌تواند مشخص کند کدام نوع جدایی نقش بیشتری داشته است.

چرا هنوز پاسخ قطعی وجود ندارد؟

یکی از دلایل، جمعیت‌هایی است که در مطالعه حضور نداشتند.

سوسک‌های Oki، Nakadori و Iki از تحلیل شکل بدن کنار گذاشته شدند، زیرا تعداد نمونه‌های جمع‌آوری‌شده از آنها بسیار کم بود.

پژوهش‌های قبلی سوسک‌های باریک را با مناطقی که حلزون‌های بزرگ‌تری دارند مرتبط دانسته‌اند.

با این حال، هنوز یک آزمایش مستقیم برای بررسی این ارتباط انجام نشده است؛ بنابراین بخش مهمی از این توضیح همچنان تأیید نشده باقی مانده است.

مرحله بعدی پژوهش چیست؟

Konuma گفت گروه او قصد دارد جمعیت‌های بیشتری از جزایر را اندازه‌گیری کند و دو نوع جدایی، یعنی جدایی ناشی از فاصله و جدایی ناشی از موانع جغرافیایی، را در برابر یکدیگر ارزیابی کند.

او همچنین می‌خواهد رابطه مستقیم میان اندازه حلزون‌ها، سایر شرایط محلی و شکل بدن سوسک را آزمایش کند.

این سه جزیره یعنی Oki، Nakadori و Iki باید در مرحله بعدی جمع‌آوری نمونه‌ها مورد توجه قرار گیرند. تاکنون تعداد کافی سوسک از این مناطق برای انجام اندازه‌گیری‌های لازم جمع‌آوری نشده است.

نتیجه‌گیری: تکامل سوسک‌های بدون پرواز فقط به دریا وابسته نیست

تکامل سوسک‌های بدون پرواز در ژاپن نشان می‌دهد که جدایی تکاملی لزوماً به وجود یک مانع فیزیکی مانند دریا نیاز ندارد. در Carabus blaptoides، محدودیت در پراکنش، فاصله جغرافیایی، تفاوت منابع غذایی و شرایط محلی می‌توانند جمعیت‌ها را به سمت شکل‌های متفاوت بدن هدایت کنند.

با وجود این، پژوهش هنوز نمی‌تواند با قطعیت مشخص کند که در تمام مناطق ژاپن، فاصله یا موانع آبی کدام‌یک نقش مهم‌تری داشته‌اند. نبود نمونه کافی از Oki، Nakadori و Iki و نبود آزمایش مستقیم درباره رابطه اندازه حلزون و شکل بدن، همچنان بخشی از پرسش‌ها را باز گذاشته است.

مطالعه کامل در مجله Biological Journal of the Linnean Society منتشر شده است.

سؤالات متداول

سوسک Carabus blaptoides چرا نمی‌تواند پرواز کند؟

این سوسک بال‌های عقبی دارد، اما این بال‌ها بیش از حد کاهش یافته‌اند و برای پرواز مناسب نیستند.

چرا سوسک‌های ژاپنی شکل‌های بدنی متفاوتی دارند؟

تفاوت شکل بدن با فاصله جغرافیایی، شرایط محلی و منابع غذایی متفاوت مرتبط است. با این حال، نقش دقیق هر عامل هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است.

سوسک‌های باریک چه مزیتی دارند؟

سوسک‌های باریک می‌توانند سر بلند خود را به داخل صدف حلزون‌های بزرگ وارد کنند. این ویژگی برای پوسته‌هایی با عرض بیش از حدود ۳۰ میلی‌متر مزیت دارد.

سوسک‌های تنومند چگونه تغذیه می‌کنند؟

سوسک‌های تنومند آرواره‌های قدرتمندی دارند که به آنها امکان می‌دهد پوسته حلزون‌های کوچک‌تر را بشکنند.

این پژوهش چه چیزی درباره شکل‌گیری گونه‌های جدید نشان می‌دهد؟

این مطالعه نشان می‌دهد حتی جمعیت‌هایی که روی یک خشکی پیوسته زندگی می‌کنند، ممکن است بر اثر فاصله و تفاوت‌های محیطی تا حدی از یکدیگر جدا شوند و در مسیر‌های متفاوتی تکامل پیدا کنند. 

منبع:فوت و فن