Если в вашей жизни есть дети, представьте на мгновение, что они совсем не похожи на своих родителей, они не едят того, что обычно едят люди, и активны только тогда, когда взрослые спят.
Хотя это может звучать как идея из сюрреалистической фантастики, на самом деле это скорее норма, чем исключение в животном мире. Большинство животных проходят то, что биологи называют сложным жизненным циклом, начиная с личинок, которые часто имеют мало общего со своими родителями.
Чтобы стать взрослыми, они должны пройти процесс, известный как метаморфоза, который является одним из самых замечательных подвигов природы. Во время этого процесса тела личинок многих видов животных претерпевают драматические изменения, которые превращают их во взрослых особей, мало или совсем не похожих на их ювенильную стадию. Бабочки могут быть наиболее известным примером этого. Тем не менее, несмотря на широкое распространение сложных жизненных циклов, на удивление мало известно о том, как они развиваются, особенно о том, в какой степени эволюция на одной стадии жизни влияет на другие.
Чтобы лучше понять эволюционные последствия сложного жизненного цикла большой группы родственных видов, биологи из Аризонского университета изучили другой знакомый пример: лягушек и их головастиков.
Тунг Фунг, Жоао С.С. Насименто и Джон Дж. Винс из Департамента экологии и эволюционной биологии УАризоны внимательно изучили эволюцию размеров тела у 542 видов лягушек, принадлежащих к 42 семействам, большинство из которых имеют стадию головастиков. В исследовании, которое было в соавторство с Александром Новарро из Охраны природы, опубликовано в научном журнале Proceedings of the Royal Society B.
"Мы хотели знать, есть ли у больших лягушек большие головастики, а у маленьких лягушек - маленькие головастики, или размеры между ними разделены?" - сказал Винс, ссылаясь на преобладающую в эволюционной биологии гипотезу, согласно которой личинки и взрослые особи должны развиваться независимо друг от друга, особенно у видов, у которых два жизненных цикла очень различаются по образу жизни.
Если личиночная и взрослая стадии развиваются полностью независимо друг от друга, корреляция между размером личинки и взрослой особью между видами должна быть незначительной. Другими словами, у больших лягушек могут быть маленькие головастики, а у больших головастиков могут быть маленькие лягушки, без какой-либо связи между размерами лягушек и головастиков.
Команда исследовала научную литературу в поисках данных о размерах головастиков и взрослых лягушек для каждого вида, построила эволюционное древо среди видов и применила статистические аналитические инструменты. Команда обнаружила, что, хотя среди семейств лягушек существует поразительная вариабельность, связь не является полностью случайной. У лягушек как группы размеры личинок и взрослых особей существенно и положительно связаны.
"Это не просто« все идет", - сказал Винс. "Мы включили почти все семейства лягушек, у которых есть стадия головастика, и мы обнаружили, что есть ограничения. В некоторых случаях они действительно сильны; размер взрослой особи во многих из рассмотренных нами семейств строго предсказывает размер личинок".
В других семьях, включенных в исследование, исследователи обнаружили, что отношения гораздо более изменчивы. Например, в семействе лопатоногих жаб (Scaphiopodidae) виды с крупными взрослыми особями имеют маленьких головастиков, а виды с маленькими взрослыми особями имеют больших головастиков.
Также наблюдались различия в относительном размере взрослых особей и головастиков среди семей. Например, парадоксальная лягушка Pseudis paradoxa - это вид с взрослыми особями нормального размера, которые развиваются от гигантских головастиков, которые в три-четыре раза больше взрослых. На другом конце спектра находятся гигантские южноамериканские жабы, головастики которых примерно в десять раз меньше взрослой особи.
"В целом, размер головастиков по сравнению со взрослыми особями сильно меняется у разных лягушек, но почему, мы не знаем", - сказал Винс.
Авторы также сравнили скорость эволюции размеров тела головастиков и взрослых особей. Было обнаружено, что они четко разделены. Например, у стеклянных лягушек стадия головастика имеет широкий диапазон размеров, что указывает на то, что она эволюционировала очень быстро, в то время как взрослые особи различаются по размеру гораздо меньше. Другие группы, такие как настоящие жабы, имеют высокие темпы эволюции на обеих стадиях, в то время как третьи, такие как африканские лягушки-быки, демонстрируют противоположную закономерность: взрослые особи развиваются быстро, а головастики меняются медленно.
После того, как головастики, привязанные к воде, превращаются в лягушек, которые проводят большую часть своего времени, прыгая по суше, их тела претерпевают радикальные изменения: ткани, из которых состоит их мощный хвост, который используется для их перемещения под водой, перерабатываются в другие ткани, придатки начинают прорастать сначала на ногах, затем на руках, и они теряют свой питательный аппарат. Эта система питания обычно состоит из большого клюва, окаймленного пятью или более рядами крошечных зубов, которые сами по себе окружены кольцом коротких мясистых щупалец. Внутри система фильтрации использует потоки слизи для извлечения пищи из воды. Некоторые головастики, кажется, используют зубы и клюв, чтобы соскребать водоросли с камней. Другие всасывают разлагающиеся органические вещества со дна своих пресноводных местообитаний. Но некоторые головастики плотоядны и даже могут быть каннибалистами.
"Их механизм питания настолько странен, что люди до сих пор не знают, как он работает и что ест большинство головастиков", - сказал Винс. "У взрослых лягушек ротовой аппарат совершенно другой, поэтому им приходится разрушать всю эту систему и перестраивать во время метаморфоза".
Хотя огромные различия в размерах головастиков по сравнению со взрослыми особями делают лягушек особенно интересными для Винса и его исследовательской группы, он сказал, что другой причиной выбора лягушек для этого исследования был их статус животных, находящихся под угрозой исчезновения, которые очень полезны для окружающей среды.
По словам Винса, из более чем 7200 описанных видов лягушек большинство обитает в тропиках, и многие исчезают с угрожающей скоростью. Это вызывает беспокойство, поскольку они играют важную роль в экосистемах по всему миру, например, действуя как естественные средства борьбы с вредителями.
"Многие из них едят насекомых, уничтожающих посевы, поэтому они действительно полезны", - сказал он.
"Хотя текущее исследование ограничено земноводными, оно действительно открывает вопросы для других групп животных", - сказал первый автор статьи Тунг Фунг, аспирант первого курса лаборатории Вены, который проделал большую часть работы, еще будучи студентом.
"Наше исследование - первое, в котором рассматривается скорость эволюции личинок и стадий взрослой жизни в большом масштабе", - сказал он.
Источник: University of Arizona
