Учёные предлагают новую модель эволюции тропических лесов

Учёные из Wageningen UR и других институтов предлагают новую исследовательскую модель — модель обновления (turnover model) — для ответа на вопрос, почему в тропических лесах всегда так много видов растений. В публикации в журнале New Phytologist голландские, британские и швейцарские учёные показывают, что крупные эволюционные изменения, такие как происхождение больших групп видов, происходят с относительно постоянной частотой, в то время как возникновение новых видов — это взрывной процесс.

Различные модели

Современник Дарвина Альфред Рассел Уоллес уже утверждал, что тропики, по сути, являются музеем биоразнообразия. Поскольку тропический климат стабилен, Уоллес предположил, что количество видов будет постепенно увеличиваться в течение длительных периодов времени — так называемая музейная модель. Однако недавно было высказано предположение, что плейстоценовые ледниковые периоды и их влияние на климат в тропиках привели к недавним взрывам видообразования — так называемая колыбельная модель.

Обе модели подтверждаются предыдущими исследованиями закономерностей диверсификации тропических растений. Эти исследования проводятся с помощью реконструированных «филогенетических деревьев» — генеалогических деревьев, показывающих взаимосвязь происхождения видов растений. Когда анализы семейств растений были сосредоточены на изучении как можно большего числа эволюционных линий в семействе, было показано постепенное увеличение разнообразия. Например, развитие разнообразия в важных тропических группах растений, таких как пальмы, семейство бобовых и семейство анноновых, по-видимому, следует музейной модели. Однако внутри этих крупных семейств растений есть также роды, которые, кажется, следуют колыбельной модели: так называемые радиации, в ходе которых многие разные виды развились недавно и за короткий период времени.

Согласование моделей

Согласование этих двух моделей казалось невозможной задачей. Как может большое семейство растений, демонстрирующее взрывной рост числа видов, диверсифицироваться как целое семейство в соответствии с музейной моделью? Ответ заключается в анализе большего числа видов на семейство и лучшем компьютерном моделировании видообразования на протяжении длительных периодов эволюции.

Семейство мелиевых (красное дерево)

Учёные из Wageningen UR, Kew (Лондон) и Цюриха собрали самый большой на сегодняшний день объём данных по семейству Meliaceae (мелиевые), или красного дерева. Это семейство в основном произрастает в тропиках и известно ценной древесиной, такой как махагони и испанский кедр. Были секвенированы части ядерного и хлоропластного генома примерно 35% видов — технология, при которой картируются все строительные блоки ДНК.

Анализ эволюционной диверсификации показал, что разнообразие более крупных групп, таких как роды и семейства растений, действительно развивается в соответствии с музейной моделью, то есть с определённой постоянной частотой возникновения новых ветвей. Учёные показали, что в дополнение к этому «музейному фундаменту» происхождение отдельных видов является взрывным процессом, который происходит в соответствии с колыбельной моделью.

«Молодые» виды

Исследование показывает, что семейство мелиевых возникло примерно 68 миллионов лет назад. Около 200 видов красного дерева, растущих в южноамериканских тропических лесах, в основном являются результатом двух взрывов видообразования (радиаций), которые произошли независимо в двух эволюционных линиях в позднюю миоценовую эпоху, то есть менее 10 миллионов лет назад.

Интересный аспект этого взрывного возникновения большого числа видов внутри семейства мелиевых заключается в том, что оно включает две разные группы внутри семейства, которые независимо друг от друга выработали одинаковые экологические адаптации, такие как высота растения и приспособление семян к одним и тем же видам животных, которые их распространяют. Кроме того, обе группы демонстрируют сходную скорость видообразования. Эти резкие увеличения скорости видообразования произошли после того, как семейство мелиевых покинуло свою первоначальную среду обитания (сухие тропические леса и сезонные леса) и колонизировало тропические леса, где столкнулось с другими климатическими условиями.

Новая модель эволюции

Результаты исследования показывают, что большинство видов мелиевых в тропиках относительно молоды. Можно предположить, что это также относится и к другим семействам. Авторы предлагают новую модель — модель обновления (turnover model), в которой количество эволюционных линий увеличивается с более или менее постоянной скоростью, в то время как видообразование происходит отдельно и более взрывным образом.