Инженерный и эволюционный анализ для изучения естественного отбора

Исследователи представили новый подход, объединяющий эволюционный и инженерный анализ для выявления признаков, на которые действует естественный отбор. В статье, опубликованной в журнале Evolution, сообщается, что этот инструмент открывает путь к обнаружению свидетельств отбора на биомеханическую функцию у самых разных организмов и к реконструкции формы черепа давно вымерших предковых видов.

Эволюционный биолог Элизабет Дюмон и инженер-механик Ян Гросс из Массачусетского университета в Амхерсте совместно с эволюционным биологом Лилианой Давалос из Университета Стоуни-Брук и при поддержке Национального научного фонда (NSF) изучили эволюционную историю адаптивной радиации новосветских листоносых летучих мышей в зависимости от их пищевых ниш.

Как отмечают авторы, адаптивные радиации, то есть взрывное видообразование в новые экологические ниши, породили большую часть биологического разнообразия, наблюдаемого сегодня. «Естественный отбор — движущая сила адаптации к новым нишам, но бывает сложно определить, какие именно признаки были его мишенью. Особенно это касается случаев, когда отбор был важен в далёком прошлом группы, чьи ныне живущие представители занимают совершенно разные ниши».

Чтобы решить эту задачу, учёные исследовали почти 200 видов новосветских листоносых летучих мышей, использующих разные пищевые ниши: насекомых, лягушек, ящериц, фрукты, нектар и даже кровь. Черепа современных летучих мышей отражают это пищевое разнообразие. Виды с длинной узкой мордой питаются нектаром, тогда как короткомордые летучие мыши имеют исключительно короткое и широкое нёбо для поедания твёрдых фруктов. Виды, питающиеся другой пищей, имеют морды промежуточной формы.

Дюмон поясняет: «Мы знали, что рацион связан с этими признаками, но не было доказательств, что естественный отбор действовал именно на изменения черепа. Инженерная модель позволила нам определить те биомеханические функции, на которые работал естественный отбор. Какая-то форма или функция помогает животному лучше выживать в своей среде, но бывает сложно доказать, что именно это за форма или функция. Мы проанализировали инженерные результаты с помощью эволюционного дерева — и это очень крутая новая особенность нашей работы».

Исследователи создали инженерную модель черепа летучей мыши, которую можно преобразовать в форму любого вида, и использовали её для создания черепов со всеми возможными комбинациями длины и ширины морды. Затем они провели инженерный анализ всех моделей, чтобы оценить их структурную прочность и механическое преимущество — показатель того, насколько эффективно и сильно летучие мыши могут кусаться.

Анализ инженерных результатов на сотнях эволюционных деревьев новосветских листоносов выявил три оптимальные формы морды, благоприятствуемые естественным отбором. Первая — длинная узкая морда нектароядных, вторая — чрезвычайно короткая и широкая морда короткомордых летучих мышей, а третий оптимум включал все остальные виды. В целом, отбор на механическое преимущество оказался важнее для определения оптимумов, чем отбор на структурную прочность.

«Благодаря этому новому подходу, — говорит Дюмон, — мы смогли ответить на наш первоначальный вопрос о естественном отборе в эволюции этих летучих мышей. Он благоприятствовал наибольшему механическому преимуществу у короткомордых летучих мышей, что даёт им высокую силу укуса, необходимую для прокалывания самых твёрдых фиг. У нектароядных очень низкое механическое преимущество — это компромисс за длинную узкую морду, которая помещается в цветы, где они находят нектар».