Эволюция способствует скорости и дальности расселения инвазивных жуков
Небольшая помощь со стороны эволюции позволяет инвазивным видам расселяться дальше и быстрее, согласно учёным из Университета Райса.
Аспирант Брэд Охоцки и эколог Том Миллер, используя в качестве модели зерновку фасолевую (Callosobruchus maculatus), обнаружили, что поколения, рождённые на переднем крае вторжения, гораздо более способны продвигаться дальше, чем те, что рождены в тылу. Это имеет значение для специалистов в области сельского хозяйства и управления природными ресурсами, которые пытаются предсказать и подготовиться к распространению инвазивных видов.
Результаты работы команды опубликованы в журнале Nature Communications.
Исследователи выбрали для работы обыкновенную зерновку из-за относительной простоты содержания и быстрого размножения, отметил Миллер, указав, что у этого вида новое поколение появляется примерно раз в месяц.
Учёные вывели 10 поколений насекомых в своей лаборатории и обнаружили, что жуки на переднем крае вторжения, где пищи больше, а конкуренция слабее, производили больше потомства с нужными генетическими признаками, чтобы продолжать движение в том же пионерском духе.
Охоцки назвал это «эффектом Олимпийской деревни», известным учёным как предположение, что если бы олимпийцы размножались во время игр, их потомство, вероятно, унаследовало бы эволюционные преимущества в силе и ловкости.
Эта идея имеет практическое значение для тех, кто отслеживает инвазивные растения и животных. «Мы хотим понять этот процесс распространения, потому что он происходит всё чаще из-за биологических инвазий, особенно с изменением климата», — сказал Миллер. «Экологи находятся под давлением, чтобы что-то предсказать в этом процессе».
Охоцки, изучавший биомедицинскую и механическую инженерию, спроектировал и построил похожие на игровые поля среды обитания, засеянные чёрным горохом. Жуки откладывают яйца на поверхность, а появившиеся личинки зарываются внутрь и питаются горохом по мере созревания.
Он начал каждую колонию с менее чем 100 насекомых, поровну разделённых между самцами и самками. Туннели между чашками Петри позволяли самым пионерским из них перемещаться из одной в другую в поисках новой территории. По оценкам Охоцки, лаборатория манипулировала и наблюдала примерно за 293 000 жуков в течение 10 месяцев сбора данных.
Исследователи провели два набора экспериментов:
- В одном колонии предоставили самим себе для расширения с ожиданием, что насекомые на переднем крае колонии будут более склонны к продвижению.
- В контрольных экспериментах это «пространственное сортирование» устраняли путём периодического перемешивания членов колонии между разными чашками.
Результаты показали, во-первых, что пространственно отсортированные колонии — те, где пионеров не перемешивали — имели тенденцию расселяться в среднем на 8,9% дальше, чем контрольные группы. Во-вторых, эксперименты продемонстрировали, что пространственно отсортированные популяции были более склонны к расселению, при этом дисперсия в их паттернах расселения (куда и как далеко они перемещались) увеличилась в 41 раз.
«Фермеры и другие люди, заинтересованные в сохранении природного ресурса, хорошо умеют обнаруживать первоначальные вспышки», — сказал Миллер. «Когда они обнаруживают нового вредителя кукурузы в поле, они хотят знать, как далеко он может продвинуться в следующем сезоне и насколько далеко перед волной они должны предупредить фермеров о необходимости опрыскивания от этого нового жука».
«То, что обнаружил Брэд, заключается в том, что даже в этой контролируемой лабораторной среде, которая является простейшим из всех возможных миров, сам процесс эволюции может генерировать неопределённость и изменчивость в том, как перемещаются популяции», — сказал Миллер. Эта неопределённость означает, что учёные вряд ли когда-либо смогут идеально предсказывать динамику вторжений.
Охоцки отметил, что учёт эффектов эволюции может лучше определить диапазон возможных сценариев: «Учёт эволюции не обязательно позволит вам сделать точный точечный прогноз, но даст окно возможных сценариев».
Миллер и Охоцки заявили, что быстрая смена поколений жуков оставляла мало времени для влияния генетических мутаций на распространение, но, по их словам, вероятным фактором был генный сёрфинг. При генном сёрфинге признаки, присутствующие на переднем крае вторжения, могут «оседлать» волну экспансии и стать распространёнными во вновь основанных популяциях. В данном случае случайные гены, принесённые на край вторжения расселяющимися жуками, вероятно, и породили наблюдаемое увеличение дисперсии. Перемешивание жуков во время вторжения, по-видимому, ослабляло этот эффект.
Работа группы из Университета Колорадо в Боулдере под руководством Кристофера Вайсс-Лемана, которая провела аналогичные эксперименты с мучными хрущаками и получила по сути те же результаты, была опубликована в том же номере Nature Communications вместе со статьёй учёных из Райса.