Nowe badanie ewolucji żabnic ujawnia, jak te stworzenia głębinowe przystosowały się do ekstremalnej strefy batypelagicznej, osiągając nieoczekiwaną różnorodność pomimo ograniczonych zasobów. Korzystając z analiz genetycznych i morfologicznych, badacze odkryli promieniowanie adaptacyjne i innowacje ewolucyjne, oferując wgląd w różnorodność biologiczną w ekstremalnych siedliskach.
Przełomowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Rice rzuca światło na niezwykłą ewolucję żabnic, mieszkańców głębin morskich, których dziwaczne adaptacje od dawna fascynują zarówno naukowców, jak i opinię publiczną. Opublikowano w Ekologia i ewolucja przyrodybadania pokazują, jak te tajemnicze stworzenia przeciwstawiły się szansom dywersyfikacji w surowym, ubogim w zasoby środowisku strefy batypelagicznej, regionu otwartego oceanu rozciągającego się od 3300 do 4000 stóp pod powierzchnią.
W badaniu prowadzonym przez zespół biologów, w tym Kory’ego Evansa z Rice’a i jego byłą studentkę Rose Faucher, w badaniu przeanalizowano ewolucyjną podróż żabnic (Lophiiformes) podczas ich przechodzenia z siedlisk na dnie morskim do otwartych wód głębinowych.
Dzięki najnowocześniejszej analizie genetycznej i obrazowaniu 3D okazów muzealnych naukowcy zrekonstruowali drzewo ewolucyjne żabnicy i zidentyfikowali innowacje morfologiczne, które umożliwiły tym zwierzętom rozwój w środowisku uważanym za jedno z najtrudniejszych na Ziemi.
Ewolucyjna podróż żabnicy
Żabnice są najbardziej znane ze swoich bioluminescencyjnych przynęt, które zwisają z ich czoła, aby przyciągnąć ofiarę w wiecznej ciemności głębokiego morza. Jednak ich ewolucyjna historia wykracza daleko poza tę uderzającą adaptację. Badanie pokazuje, że głębinowe żabnice pelagiczne (ceratioidy) pochodzą od przodków zamieszkujących bentos lub dno morskie.
Przodek ten żył na zboczu kontynentalnym, zanim przedostał się na otwarte wody strefy batypelagicznej w okresie przejściowym, który przygotował grunt pod szybkie zmiany ewolucyjne. Następnie u ceratioidów rozwinęły się takie cechy, jak większe szczęki, mniejsze oczy i bocznie ściśnięte ciała – przystosowania przystosowane do życia w środowisku z ograniczoną ilością pożywienia i brakiem światła słonecznego.
Jednak pomimo tych kierunkowych trendów ceratioidy wykazywały również niezwykłą zmienność w kształtach ciała, od archetypowego żabnicy kulistej po wydłużone formy, takie jak fenotyp „wilczaka”, który charakteryzuje się strukturą szczęki przypominającą pułapkę. Odkrycie to jest najbardziej zaskakujące w badaniu, ponieważ strefa batypelagiczna nie ograniczyła ewolucji zgodnie z oczekiwaniami, pomimo widocznego braku różnorodności ekologicznej.
Zamiast tego żabnice osiągnęły wysoki poziom zróżnicowania fenotypowego, większy niż ich denni krewni, zarówno w płytkich, jak i głębokich wodach. Sugeruje to, że zamiast ograniczać się wyzwaniami środowiskowymi głębin morskich, ceratioidy badały nowe możliwości ewolucyjne, różnicując formy ciała i strategie łowieckie.
Promieniowanie adaptacyjne w głębinach morskich
„Dzięki swoim unikalnym cechom, takim jak przynęty bioluminescencyjne i duże otwory w jamie ustnej, żabnica głębinowa może być jednym z niewielu udokumentowanych przykładów promieniowania adaptacyjnego w strefie batypelagicznej o ograniczonych zasobach” – powiedział Evans, współautor artykułu do korespondencji i asystent profesor nauk biologicznych. „Te cechy prawdopodobnie zapewniły żabnicy przewagę w wykorzystywaniu ograniczonych zasobów i radzeniu sobie w ekstremalnych warunkach panujących w ich środowisku, chociaż nie mamy mocnych dowodów bezpośrednio łączących tę różnorodność z tego rodzaju specjalizacją w zasobach”.
Evans zauważył, że badanie pozostawia miejsce na możliwość, że do obserwowanej zmienności mogły również przyczynić się procesy nieadaptacyjne, takie jak selekcja swobodna lub mutacje losowe.
Naukowcy porównali także klady żabnic w różnych siedliskach i uzyskali bardziej nieoczekiwane wyniki. Nadbrzeżny gatunek podobnie jak żabnice, które żyją w zróżnicowanych i produktywnych środowiskach raf koralowych, wykazywały znacznie niższe tempo zmian ewolucyjnych niż ich odpowiedniki w głębinach morskich.
„Pomysł, że ubogie w zasoby, jednorodne środowisko – takie jak otoczenie ze wszystkich stron wyłącznie wodą – mogłoby wytworzyć różnorodne plany budowy ciała i czaszki, jest w tej dziedzinie naprawdę sprzeczne z intuicją” – powiedział Faucher, który był współautorem artykułu wraz z Elizabeth Christiną Miller, stażystką podoktorską na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine. „Kiedy ryby mają różne cechy, z którymi mogą wchodzić w interakcję, np. koralowce i rośliny w płytkiej wodzie lub piasek i skały na dnie morskim, wtedy spodziewalibyśmy się dużej różnorodności kształtów ryb. Zamiast tego widzimy to u ryb głębinowych, z którymi można wchodzić w interakcje wyłącznie z wodą”.
Do przeprowadzenia tego badania naukowcy wykorzystali kombinację zaawansowanych metod. Skonstruowali filogenezę żabnicy, korzystając z danych z 1092 loci genetycznych 132 gatunków, co stanowi około 38% opisanych gatunków, uzupełnionych kalibracjami kopalń i danymi genomicznymi w celu oszacowania czasów rozbieżności i siedlisk przodków. Z okazów muzealnych zebrano dane morfologiczne, w tym liniowe pomiary ciała i trójwymiarowe analizy kształtu czaszki za pomocą skanów mikrotomografii komputerowej.
Aby ocenić trendy ewolucyjne, badacze zastosowali filogenetyczne metody porównawcze w celu oceny zróżnicowania fenotypowego i rodowodowego, podczas gdy analizy rozbieżności pozwoliły określić ilościowo zakres zmienności morfologicznej między kladami i siedliskami żabnic. Następnie wykorzystali modele Bayesa do zrekonstruowania siedlisk przodków, ujawniając, że ceratoidy pochodziły od przodków bentosowych przed przejściem do strefy pelagicznej. Wreszcie analizy głównych składowych pokazały, w jaki sposób żabnica zajmowała różne obszary przestrzeni fenotypowej, rzucając światło na trendy ewolucyjne w kształtach ciała, czaszki i szczęki.
Szersze implikacje badania
„Żabnica jest doskonałym przykładem tego, jak życie może wprowadzać innowacje w ekstremalnych warunkach” – powiedział Evans. „Ta praca nie tylko pogłębia naszą wiedzę na temat różnorodności biologicznej głębin morskich, ale także ilustruje odporność i kreatywność ewolucji”.
Znaczenie tego badania wykracza poza ewolucyjną historię żabnicy. Dostarcza cennych informacji na temat tego, jak życie przystosowuje się do ekstremalnych warunków. Głębiny morskie to jeden z najmniej poznanych ekosystemów na Ziemi, a mimo to odgrywa kluczową rolę w globalnej różnorodności biologicznej i obiegu węgla na planecie. Zrozumienie, jak organizmy takie jak żabnica rozwijają się w takich warunkach, pomaga naukowcom przewidzieć, jak życie może zareagować na zmiany środowiskowe, w tym te spowodowane zmianami klimatycznymi.
Co więcej, badanie porusza szersze kwestie makroewolucji: w jaki sposób powstają, adaptują się i różnicują nowe gatunki. Pokazując, że nawet środowiska ubogie w zasoby mogą sprzyjać znacznemu promieniowaniu ewolucyjnemu, badania rzucają wyzwanie konwencjonalnemu poglądowi i otwierają nowe możliwości badania ewolucji w ekstremalnych siedliskach.
Odniesienie: „Zmniejszone ograniczenia ewolucyjne towarzyszą ciągłemu promieniowaniu żabnic głębinowych” autorstwa Elizabeth Christina Miller, Rose Faucher, Pamela B. Hart, Melissa Rincón-Sandoval, Aintzane Santaquiteria, William T. White, Carole C. Baldwin, Masaki Miya, Ricardo Betancur-R, Luke Tornabene, Kory Evans i Dahiana Arcila, 27 listopada 2024, Ekologia i ewolucja przyrody.
DOI: 10.1038/s41559-024-02586-3
Badania te były częściowo wspierane przez FishLife (National Science Foundation DEB-1541554 i NSF DEB-2144325); stypendia podoktorskie NSF (DBI-1906574 i DBI-2109469); NSF DEB-2237278; NSF DEB-2144325 i NSF DEB-2015404.
