Видообразование на разных островах идет независимыми путями. Галапагосский вьюрок: происхождение видов. Причины различий в строении клюва Какое происхождение имеют 14 видов галапагосских вьюрков

Результаты полногеномного секвенирования 120 вьюрков, населяющих Галапагосские острова, позволили выяснить, за счет чего форма клюва этих птиц адаптировалась к разным видам пищи.

У всех ученых-биологов есть любимые модельные системы: к примеру, молекулярные биологи исследуют активность генов с помощью люциферазы светлячка, потому что по ее свечению сразу видно, в каких клетках работает интересующий ученых генетический элемент. Нейробиологи изучают свойства крупных нервных клеток моллюсков, потому что с ними удобно работать, а генетики исследуют наследственность на мушках-дрозофилах, у которых удобно контролировать скрещивание и быстро сменяются поколения. Биологи, которые исследуют эволюцию, тоже обладают любимыми модельными системами, хотя их «рабочие установки» несколько более масштабны. Самая известная «лаборатория» исследователей эволюции - Галапагосские острова , населяемые несколькими видами вьюрков . Эти птицы очень похожи между собой во всем, кроме формы клюва. Еще Дарвин предположил, что эти виды произошли от одного предка, который когда-то заселил острова, а затем виды разделились, поскольку птицы приспосабливались к разным видам пищи - к семенам, насекомым или нектару (рис. 1). Дарвина поразило, что эти птицы, так похожие на обитателей американского континента, все же представляют собой отдельные виды, специфические именно для Галапагосских островов, и к тому же, по-видимому, адаптировавшиеся к разным нишам в новой среде обитания. Эти наблюдения развили в нем интерес к идее об изменении видов. Надо сказать, что Дарвину повезло с возможность попасть на острова, поскольку, как мы сейчас знаем, специализация в таких изолированных сообществах происходит быстрее, и Дарвину посчастливилось увидеть действительно выразительный пример, когда птицы разных видов были явно похожи, но их клювы «заточились» под определенный вид пищи.

Рисунок 1. Форма клюва Галапагосских вьюрков приспособлена к питанию определенной пищей.

С XIX века возможности исследователей эволюции существенно расширились - теперь они не ограниченны анализом внешних признаков. К изучению классической системы Галапагосских островов теперь можно подойти со всем арсеналом новых методов. В частности, можно определить генотипы большого количества вьюрков, и посмотреть, что отличает их на уровне ДНК. Сравнивая количество отличий в ДНК у представителей разных видов птиц, можно построить схему расхождения их видов и выяснить, соответсвует ли она нашим представлениям об приспособлении птиц к разным экологическим нишам островов.

Ранее такие деревья расхождения видов вьюрков уже строились, но тогда ученые ограничивались лишь скромным сравнением их митохондриальной ДНК или отдельных ядерных маркеров. Митохондриальная ДНК, во-первых, представляет собой лишь незначительную часть всей ДНК клетки, а во-вторых, не содержит в себе информации об изменениях, которые непосредственно повлияли на форму клюва. ДНК митохондрий содержит лишь часть информации о белках этих клеточных органелл, а все гены, которые отвечают за внешние признаки организма, находятся в ядре клетки. Если ДНК митохондрий пары видов на данный момент отличается сильнее, чем ДНК митохондрий другой пары видов, можно думать, что первая пара видов произошла от общего предка раньше, чем вторая, поскольку различия в ДНК видов, которые перестали скрещиваться, со временем накапливаются. Однако, конечно, хочется знать и конкретные гены, которые привели к разделению видов, а не просто случайные мутации, которые накопились в ДНК со временем. Поэтому на этот раз ученые проанализировали полные последовательности ДНК 120 птиц, представляющих все виды вьюрков Галапагосских островов . Они нашли все различия в ДНК, характерные для разных видов птиц, и среди отличающихся фрагментов нашли гены, которые могут влиять и на форму клюва. Так наконец мы подошли к самому механизму, который позволил потомкам одного вида птиц приспособиться к разным экологическим нишам островов и создать настоящее разнообразие.

В целом получившаяся таксономия оказалась сходной с ранее построенными, хотя по данным полных геномов оказалось, что один из видов, выделявшихся ранее, на самом деле нужно разделить на три (рис. 2). Полученные данные позволили восстановить некоторые подробности эволюционной истории вьюрков Галапагосских островов. По данным полных геномов птиц, первое разделение видов произошло 900 тыс. лет назад. Разделение на земляные и древесные виды началось 100–300 тыс. лет назад и было довольно быстрым. Между некоторыми видами обнаружился поток генов, то есть, скрещивания могли иногда происходить и после разделения видов. После разделения по средам обитания (земляные и древесные виды) поток генов между видами одной среды обитания был ожидаемым образом сильнее, чем между видами разных сред обитания.

Рисунок 2. Таксономия Галапагосских вьюрков на основании данных о полных последовательностях геномов.

Но самым интересным было найти конкретные гены, которые сделали птиц на островах более разнообразными. Для этого ученые сгруппировали полученные последовательности ДНК по формам клюва их носителей и нашли, какие области ДНК характерны для обладателей клювов разной формы. Всего было найдено 15 областей генома, последовательности которых были более сходными у птиц с одинаковой формой клюва, и различались сильнее у птиц с разными клювами. Из них 6 регионов содержало гены, имеющие отношение к развитию лицевого отдела черепа и/или клюва у млекопитающих или птиц. Все эти гены потенциально могли быть ответственными за адаптацию формы клюва птиц к типу употребляемой пищи. Сильнее всего соответствовал форме клюва достаточно протяженный регион ДНК птиц, содержавший, в том числе, ген транскрипционного фактора ALX1 . Этот белок играет ключевую роль в миграции нервных клеток нервного гребня в ходе развития головы зародыша птицы. Ген ALX1 - отличный кандидат на главную роль в изменении формы клюва вьюрков. Но с формой клюва у птиц была связана не только последовательность этого гена, но и последовательности участков ДНК в протяженной области вокруг него (целых 240 тысяч нуклеотидов). Такую последовательность расположенных рядом и, как правило, наследуемых вместе элементов хромосомы называют гаплотипом . Особи с определенной формой клюва, как правило, обладали двумя копиями определенного гаплотипа этого участка. Гаплотипы, соответствовавшие тупой и заостренной форме клюва, возникли вскоре после первого разделения вьюрков на виды, и с тех пор накопили целых 335 различий. Некоторые из них изменяют места связывания транскрипционных факторов, некоторые изменяют аминокислотную последовательность белка ALX1, а некоторые, по-видимому, никак не проявляют себя. Интересно, что варианты гаплотипа могли варьировать и в пределах одного вида - так, у Geospiza fortis , у представителей которого форма клюва может отличаться, нуклеотидные замены в гене ALX1 были многочисленными и также ассоциировались с формой клюва.

Интересно, что вьюрки менялись в последний миллион лет и продолжают меняться и буквально на наших глазах. В 1986 году на островах была засуха, которая повлияла на количества и виды доступной пищи. В результате заостренные клювы стали более «выгодными» и более распространенными, в том числе, благодаря межвидовой гибридизации птиц. Оказалось, что близкие по генетических признакам виды вьюрков могут скрещиваться между собой, а получившиеся гибриды могут давать плодовитое потомство от представителей любого из родительских видов. Исследователи изучили генотипы вида Geospiza fortis с большим разнообразием клювов и генотипы гибридов этого вида с другими видами (Geospiza scandens и Geospiza andfuliginosa ), обладающими заостренными клювами. У гибридов G. fortis с G. scandens и G. andfuliginosa доля гаплотипов ALX1 , соответствовавших заостренному клюву, была выше. Это подтверждает, что найденный биоинформатическими методами участок генома действительно имеет отношение к определению формы клюва у разных видов птиц. По-видимому, «заимствование» более выгодного гаплотипа у других видов сыграло значительную роль в распространении заостренных клювов, которое помогало птицам приспособиться к меняющимся условиям жизни в последние десятилетия. В общем, эволюция продолжается.

Непереводимая игра слов.

Литература

Как прочитать эволюцию по генам? ;
Lamichhaney S., Berglund J., Almén M.S., Maqbool K., Grabherr M., Martinez-Barrio A., Andersson L. (2015). Evolution of Darwin’s finches and their beaks revealed by genome sequencing . Nature doi: 10.1038/nature14181..

Никогда не являлись частью материка и возникли из недр земли, их флора и фауна уникальны. Большинство представителей являются эндемиками и более нигде на Земле не встречаются. К таковым относятся и разные виды галапагосских вьюрков. Впервые они были описаны Чарльзом Дарвином, открывшим их значение в теории эволюции.

Происхождение вида

Эндемичную группу небольших птиц некоторые ученые относят к семейству овсянковых, другие - к танагровым. Второе название - дарвиновы - они получили благодаря своему первооткрывателю. Молодой и амбициозный ученый был поражен природой островов. Он предположил, что абсолютно все вьюрки на Галапагосских островах имеют одного общего предка, попавшего сюда более 2 миллионов лет назад с ближайшего материка, то есть, вероятнее всего, из Южной Америки.

Все птицы имеют небольшие размеры, длина тела составляет в среднем 10-20 см. Основное отличие, которое подтолкнуло Ч. Дарвина к мысли о видообразовании - форма и размер клюва пернатых. Они сильно варьируются, и это позволяет каждому виду занимать свою отдельную Помимо того, существуют различия в окрасе оперения (черный и коричневый цвет преобладающие) и вокализации. Наблюдая за птицами, ученый предположил, что изначально на остров попал лишь один вид вьюрков. Именно он постепенно расселился по островам архипелага, приспосабливаясь к различным условиям среды обитания. Однако готовыми к жизни в суровых условиях оказались не все галапагосские вьюрки. Клювы - вот что стало главным критерием В борьбе за выживание преимущество было у тех видов, у которых они подходили для местной пищи. Одни особи получили разнообразие семян, другие - насекомых. В результате произошло расщепление исконного (предкового) вида на несколько других, причем каждый из них специализируется на конкретной кормовой базе.

В результате его исследований и открытий небольшой галапагосский вьюрок вошел в мировую историю биологии, а загадочные и далёкие острова стали лабораторией под открытым небом, которая идеально подходит для наблюдений за результатами эволюционных процессов.

Современный взгляд

Вдохновившие Ч. Дарвина на создание теории эволюции вьюрки активно помогли современной науке в ее подтверждении. По крайней мере, об этом говорят ученый из университета Принстона Питер Грант и его коллеги.

Своими исследованиями они подтверждают, что причина появления разных видов галапагосских вьюрков кроется в кормовой базе и борьбе за нее между различными популяциями. В своей работе они говорят о том, что за достаточно короткий срок с одной из разновидностей птиц произошли такие изменения. Размер клюва вьюрка поменялся в результате того, что на остров прибыли конкуренты, а пищи было ограниченное количество. На это ушло 22 года, что для эволюционных процессов практически равносильно мгновениям. У вьюрков клюв уменьшился в размерах, и они получили возможность уйти от конкуренции, перейдя на иную пищу.

Результаты более чем 33-летней работы были опубликованы в журнале Science. Они подтверждают важную роль конкуренции в процессе образования новых видов.

На островах гнездится большое количество вьюрков, и все они эндемики, но чаще всего встречаются три основных вида из группы земляных. Остановимся на них более подробно.

Большой кактусовый вьюрок

Небольшая певчая птица (фото выше) обитает на четырех островах архипелага и, как несложно догадаться из названия, ее жизнь тесно связана с кактусами. Этот галапагосский вьюрок используют их не только в качестве укрытия, но и в пищу (цветы и плоды). Клюв продолговатой формы, крепкий, он наилучшим образом приспособлен для добывания насекомых и семян. Окрас черный, с серыми пятнами у самок.

Средний земляной вьюрок

Остроклювый земляной вьюрок

У вида наблюдает самцы преимущественно черного оперения, а самки - серые с коричневыми пятнами.

Древесные вьюрки

Род состоит из шести видов, все они эндемики и обитают только на Галапагосских островах. Фауна и флора этого места крайне уязвимы и легко разрушаются, когда в них вмешиваются. Развивавшиеся изолированно от всего мира острова нуждаются в защите и охране. В частности, мангровый древесный вьюрок в настоящий момент находится под угрозой вымирания. Небольшие серые птицы с оливковой грудкой проживают только на одном острове - Исабела, численность популяции около 140 особей.

Интерес представляет то, как этот галапагосский вьюрок питается. Он предпочитает крупных личинок насекомых, достать которых из-под коры дерева порой бывает затруднительно, поэтому он использует специальный инструмент (палочки, веточки, травинки), которыми ловко копает внутри. Аналогично поступает еще одна птица из данного рода - дятловый древесный вьюрок (на фото), предпочитающий использовать в том числе колючки кактуса.

) ()

Feb. 8th, 2013

11:16 pm - Галапагосские или Дарвиновские вьюрки

Компиляция по материалам, найденным в Интернете (делали с дочкой доклад).

Галапагосские или Дарвиновские вьюрки - это группа птиц, населяющая Галапагосские острова. Свое второе название получила в честь Чарльза Дарвина, который впервые оценил их значение с точки зрения теории эволюции. Предполагают, что такое разнообразие видов среди близкородственных птиц подсказало Дарвину идею естественного отбора и происхождения видов. Поэтому дарвиновские вьюрки стали одним из символов в истории науки.

Галапагосские острова возникли после извержения подводных вулканов. Со временем острова покрылись растительностью, проросшей из семян, принесенных на острова ветром, морем или залетными птицами. Ближайшая суша очень далеко, поэтому заселить острова могли только приплывшие на острова морские животные, выносливые рептилии, которых занесло сюда течением, и птицы.
Большинство пернатых Галапагосов — морские птицы, питающиеся за счет моря и гнездящиеся на побережьях. Вьюрки стали первыми не морскими птицами, заселившими Галапагосы. Из Южной Америки на острова залетели вьюрки какого-то одного вида, возможно, ныне уже не существующего. Размножившись, вьюрки стали «делить» богатства острова.

Исходный вид вьюрка, как и все вьюрковые, питался семенами, различными плодами и насекомыми. Галапагосские вьюрки, чтобы полнее использовать не очень обильные пищевые ресурсы островов, разделились на группы, которые стали питаться разными кормами. Одни предпочли семена, другие сочные плоды кактусов, третьи стали добывать насекомых. Образ жизни и способ питания отразились на внешности вьюрков. Они все меньше походили и друг на друга, и на своего предка, обитавшего в иных условиях.

Приспособление к разным кормам привело к тому, что вьюрки стали сильно отличаться друг от друга по форме и размерам клюва. Размер клювов земляных вьюрков зависит от кормовых предпочтений — чем грубее и жестче корм, тем крупнее и сильнее клюв. У кактусового земляного вьюрка, который питается сочными плодами кактусов, клюв длинный и заостренный, им удобно высасывать мякоть. Древесные вьюрки питаются жуками и другими насекомыми и личинками. Иногда им приходится долбить подгнившую древесину, чтобы добыть спрятавшихся в ней насекомых. Поэтому клювы у них крепкие, но тоньше, чем у земляных вьюрков, — такой клюв можно просунуть в узкие отверстия. У славкового и кокосового вьюрков клювы длиннее, чем у других древесных вьюрков, и несколько изогнуты. Такими клювами удобно собирать мелких насекомых с поверхности веток и листьев.

«Самым любопытным обстоятельством является правильное постепенное изменение размеров клюва у различных видов Geospiza (Земляные вьюрки), начиная с клюва большого, как у дубоноса, и кончая клювом зяблика и даже славки… Самый большой клюв рода Geospiza показан на рис. 1, самый маленький — на рис. 3; но в промежутке между ними имеется не один вид, размеры клюва которого показаны на рис. 2, а по крайней мере шесть видов, у которых клювы едва заметно постепенно уменьшаются. Клюв птицы из подгруппы Certhidea показан на рис. 4. … Наблюдая эту постепенность и различие в строении в пределах одной небольшой, связанной тесными узами родства группы птиц, можно действительно представить себе, что вследствие первоначальной малочисленности птиц на этом архипелаге был взят один вид и видоизменен в различных целях.» [Чарльз Дарвин. Путешествие натуралиста вокруг света на корабле "Бигль"]

Подсемейство Галапагосские, или дарвиновы, вьюрки - Geospizinae - – это эндемичное подсемейство, населяющее Галапагосские острова и о. Кокос. Свое название эта группа птиц получила в честь Ч.Дарвина, который впервые оценил их значение с точки зрения теории эволюции. Галапагосские острова – это архипелаг, состоящий из 16 больших островов и россыпи мелких островков, расположенных в Тихом океане вблизи экватора на расстоянии примерно 970 км к западу от побережья Эквадора (Южная Америка).

К дарвиновским вьюркам относится 14 видов птиц: из них 13 видов населяют острова Галапагосского архипелага, а 1 вид – обитает на о. Кокос. Общепризнанно, что все 13 видов вьюрков, обитающих на островах Галапагосского архипелага, произошли от одного предкового материкового вида, поселившегося на этих островах сотни тысяч лет назад. Столь интенсивному видообразованию, вероятно, способствовала умеренная географическая изоляция между популяциями разных островов: с одной стороны, на каждом острове первоначально сформировался собственный генофонд, а с другой стороны, в результате последующих миграций на каждом острове сложился ценоз из 3…10 видов вьюрков. Наличие двух и более родственных видов в одном ценозе обусловливает высокую степень конкуренции между ними. В результате происходит диверсификация, или тонкая дифференциация экологических ниш. В качестве противоположного примера можно привести вьюрков одиночного острова Кокос, удаленного от материка и от Галапагосского архипелага на сотни километров. Несмотря на большое разнообразие местообитаний, вьюрки на этом острове представлены единственным эндемичным неспециализированным видом. Интенсивное видообразование и глубокая дифференциация экологических ниш привели к возникновению трех родов дарвиновских вьюрков: Род Земляные вьюрки (Geospiza) – 6 видов. Это ширококлювые птицы, которые кормятся на земле семенами и цветками опунции. Род Древесные вьюрки (Camarhynchus) – 6 видов. Это тонкоклювые птицы, которые кормятся на деревьях. Один из этих видов питается растительной пищей, а остальные – насекомоядные (например, дятловый вьюрок в поисках насекомых зондирует трещины палочками и иголками кактусов). Род Славковые вьюрки (Certhidea) – монотипический, то есть представлен одним видом; этот вид наименее специализирован и встречается повсеместно. Таким образом, спектр питания зависит от размеров клюва: более широкий (высокий) клюв дает возможность поедать крупные семена. Длина и высота клюва у одного и того же вида сильно меняются на разных островах, что отражает влияние межвидовой и внутривидовой конкуренции. Например, если виды А и В (Geospiza fuliginosa и Geospiza fortis) населяют разные острова, то высота клюва у каждого вида составляет 8,5-11 мм. Если же два вида населяют один остров, то у одного из них (G.fuliginosa) высота клюва уменьшается до 7-9 мм, а у другого (G. fortis) – возрастает до 10-16 мм. Таким образом, в популяциях разных видов вьюрков высота клюва является полиморфным признаком. Ранее галапагосских вьюрков относили к семейству Вьюрковых.

На Галапагосских островах - известной группе островов, на которых в 1830-е годы побывал Чарльз Дарвин, обитает тринадцать видов вьюрков (зябликов). Вьюрки демонстрируют разнообразие форм и размеров клювов, все из которых подходят для их разных типов питания и образов жизни. этому явлению следующее объяснение: все они являются потомками первоначальной пары вьюрков, и что естественный отбор ответственен за их отличия.

Как это не удивительно для некоторых людей, но большинство современных креационистов придерживаются этого объяснения. Это не должны обязательно быть какие-либо «эволюционные» изменения, в смысле предоставления свидетельств в пользу превращения амебы в человека. Никакая новая генетическая информация не была добалена. Если исходная популяция имеет достаточную сотворенную изменчивость (генетический потенциал), чтобы объяснить появление этих разных признаков в её потомках, естественный отбор позаботился бы об итоговой адаптации, как покажет очень простой пример.

Скажем, к примеру, что некоторые вьюрки прилетели на острова, где не хватает семян, но живет множество личинок под корой деревьев. В популяции с большой изменчивостью, у некоторых вьюрков клювы длиннее, у некоторых короче среднего размера. Те птицы, которые несут в себе генетическую информацию «длинного клюва», могли бы выживать на этих островах, питаясь личинками, а значит, имели бы большую вероятность передать информацию своим потомкам, в то время как другие птицы просто вымерли бы. Таким образом, под действием отбора, который также влиял бы и на другие характерные особенности вьюрков, мог возникнуть «дятловый вьюрок».

То же самое происходит и при искусственном отборе – различные современные породы собак больше приспособлены к определенным условиям, чем родительская (смешанная) популяция , но несут меньше информации, а значит, имеют меньший потенциал для дальнейшей селекции (вы не сможете вывести Датского Дога из Чихуахуа). И при всех изменениях подобного рода, вьюрки все равно остаются вьюрками, а . Границы, в которых могут происходить изменения, установлены количеством информации, которая исходно присутствует, и из которой и происходит отбор.

Креационисты уже давно говорят о таком «разделении под воздействием отбора» у исходных видов, описывая, к примеру, волков, койотов, динго и других диких собак, которые все произошли от одной пары животных, находившейся на борту Ноевого Ковчега. Однако антикреационисты ухватились за вопрос времени. Они настаивают на том, что для описанноей выше вариации потребовалось бы намного больше времени, чем позволяет Писание. Искусственный отбор происходит быстро - они признают это . Но, по их мнению, это потому селекционеры умышленно воздействуют на каждое поколение. Обычная же «оценка» периода, за который Дарвиновский вьюрок образовались от исходной популяции, колеблется в пределах от одного до пяти миллионов лет.

Однако, профессор зоологии из Принстонского университета, Питер Грант, недавно опубликовал результаты тщательного восемнадцатилетнего исследования всех Галапагосских вьюрков, во время которого проводилось наблюдение естественного отбора. Например, во время засушливых лет, когда вьюркам не хватало маленьких семян, отбор способствовал выживанию вьюрков с более длинными и сильными клювами, способными доставать оставшиеся крупные семена, что и повернуло популяцию в этом направлении.

Несмотря на то, что само наблюдение не является чем-то удивительным и глубоким, скорость этих изменений просто потрясает . При такой наблюдаемой скорости, как Грант подсчитал, потребовалось бы всего лишь 1200 лет для того, чтобы превратить среднего земляного вьюрка, например, в кактусового вьюрка. Чтобы превратить его в более похожего земляного вьюрка потребовалось бы всего около 200 лет.

Обратите внимание на следующее (хотя в статье и не говорится об этом): подобные стремительные изменения могут не иметь ничего общего с образованием каких-либо новых генов в результате мутации, но они основываются на описанной нами выше процессе, т.е. отбирая из того, что уже есть. Поэтому это не может расцениваться как свидетельство настоящей, восходящей (макро) эволюции - хотя многих наивных студентов, несомненно, будут учить этой «эволюции в действии».

Наоборот, перед нами настоящее свидетельство того, что такое (нисходящее) адаптационное образование нескольких видов из одного сотворенного вида, может легко происходить в пределах нескольких столетий. И для этого совершенно не нужны миллионы лет. Данный аргумент еще больше подкрепляется тем фактом, что после Потопа давление отбора было намного сильнее - происходила быстрая миграция в новые, незаполненные экологические ниши, наблюдался остаточный катастрофизм, и отмечались изменения климата, поскольку Земля высыхала, жизнь на ней налаживалась, и происходила одновременная адаптивная радиация видов.