Хотя это может звучать как идея из сюрреалистической фантастики, на самом деле это норма, а не 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, что 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, которые имеют мало общего, если вообще имеют какое-либо сходство с их ювенильной стадией. Бабочки могут быть самым 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 еще один знакомый пример: лягушек и их головастиков.
Тунг Фунг, Жоао С. S. Насименто и Джон Дж. Винс из Департамента экологии и эволюционной биологии УАризоны внимательно изучил эволюцию размеров тела у 542 видов лягушек, принадлежащих к 42 семействам, большинство из которых имеют стадию головастика. Исследование, соавтором которого является Александр Новарро из The Nature Conservancy, 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 же размеры между двумя несвязанными друг с другом?- сказал Винс, ссылаясь на преобладающую в эволюционной биологии гипотезу, согласно которой личинки и взрослые особи должны развиваться независимо, особенно у видов, у которых две стадии жизни имеют очень разный образ жизни.
Если личиночная и взрослая стадии развиваются полностью независимо друг от друга, между видами должна быть небольшая корреляция между размером личинки и размером взрослой особи. 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 на предмет данных о размерах головастиков и взрослых лягушек для каждого вида, составила эволюционное древо среди видов и применила статистические аналитические инструменты.
Команда обнаружила, что, хотя среди семейств лягушек существует поразительное количество вариаций, 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 обнаружили, что есть ограничение.
В некоторых случаях это действительно сильно; размер взрослой особи сильно предсказывает размер личинок во многих изученных нами семьях."
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, чем взрослые особи. На другом конце спектра находятся гигантские южноамериканские жабы, головастики которых примерно в десять раз меньше взрослой особи.
«В целом размер головастиков по сравнению с 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 отделены друг от друга.
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.
Как только головастики, запертые в воде, превращаются в лягушек, которые проводят большую часть своего времени, прыгая по суше, их тела претерпевают чрезвычайную трансформацию: ткани, из которых состоит их мощный хвост, который используется для движения 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 фильтров 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 кормления настолько странный, что люди до сих пор не знают, как он работает, и даже не знают, что ест большинство головастиков», – сказал Винс. "У взрослых лягушек ротовой аппарат совершенно другой, поэтому им приходится разрушать всю эту систему и восстанавливать ее 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 еще одной 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, а многие исчезают с угрожающей скоростью. Это вызывает беспокойство, поскольку они играют важную роль в экосистемах по всему миру – например, выступая в качестве естественных средств 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, докторант первого курса в лаборатории Вены, который проделал большую часть работы, еще будучи студентом.
«Наше исследование является первым, в котором рассматривается скорость эволюции личинок и стадий взрослой жизни в крупном масштабе», – сказал он.