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 ukazującym się w Naukanaukowcy donoszą, że erozja rzeczna może być motorem różnorodności biologicznej 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 w dziedzinie nauk o Ziemi, atmosferze i planetach na 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 żółtodziobów 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 zielonopłetwego lotnika 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.

###

Napisane przez Jennifer Chu, MIT News Office