Ewolucja w kolorze: od krępaka nabrzozaka do patyczaka

Najsłynniejszy przykład niedobranych kolorów  pojawił się w latach 1950. Dym węglowy przyciemnił drzewa Anglii, a więc jasne krępaki nabrzozaki, które kiedyś zlewały się z tłem jasnej kory, były teraz wyraźnie widoczne na ciemnym tle. Ciemna postać krępaka, kiedyś rzadka, stała się powszechna. Badacze podejrzewali, że powodem był dobór naturalny i sprawdzali tę tezę przez umieszczanie na drzewach jasnych i ciemnych modeli. Tak jak przewidywano, ptaki szybko atakowały niedostosowane modele.

Zdjęcia z tych eksperymentów weszły na stałe do podręczników. Powstały jednak wątpliwości co do badań. Na przykład, rzeczywiste krępaki nabrzozaki nie siedzą na drzewach z rozpostartymi skrzydłami. Kreacjoniści nazywali całe zjawisko oszustwem i powodem kwestionowania samej ewolucji.  

Dowody na rzecz doboru naturalnego wśród krępaków nabrzozaków nadal jednak gromadziły się. Wielka Brytania i inne kraje oczyściły powietrze pod koniec XX wieku i drzewa znowu zrobiły się jasne. Teraz równowaga doboru naturalnego zmieniła się: czarny kolor stał się obciążeniem. I, jak można się było spodziewać, ciemne ćmy znowu stały się rzadkie.

Żeby zobaczyć czy odpowiedzialne za ich zniknięcie były drapieżniki, biolog Michael Majerus rozpoczął olbrzymie badanie w 2001 r. Zmarł zanim mógł opublikować wyniki eksperymentu; zostały opublikowane w Biology Letters dopiero w 2012 r., dokończone przez jego kolegów naukowców.

Majerus wypuścił 4864 ciem, jedne ciemne, inne jasne, i obserwował, jak lądowały na drzewach i jakie było prawdopodobieństwo, że uda im się uniknąć zjedzenia przez ptaki. Odkrył, że codziennie ciemne ćmy miały o dziewięć procent mniejsze prawdopodobieństwo przeżycia. Ponieważ ćmy żyją zaledwie kilka dni, ta różnica wystarczyła, by szybko z powszechnych stały się rzadkie, jeśli nie pasowały do tła.

Historia krępaków nabrzozaków jest uderzająca, ale taka jest także historia cywilizacji. Kiedy rozwijamy różne sposoby produkowania energii – najpierw brudne, potem czyste – zmieniamy środowisko, w którym ewoluują zwierzęta. Ich barwy szły śladem naszej historii. Ale historia krępaków nabrzozaków pozostawia nas z problemem ewolucji kolorów w świecie naturalnym, poza ciemnymi Młynami Szatańskimi.

O tysiące kilometrów od angielskich krępaków nabrzozaków gatunek owadów patyczaków o nazwie Timema cristinae żyje na wzgórzach południowej Kalifornii. Nowe badanie pokazuje, że one także odczuwają naciski ewolucji na swój kolor. W rzeczywistości ewolucja koloru jest tak potężna, że wpływa nie tylko na patyczaki. Wpływa na różnorodność całego ich ekosystemu.

Nowe badanie, przeprowadzone przez Patrika Nosila z University of Sheffield i jego kolegów, miało miejsce na wzgórzach koło Santa Barbara. Kiedy naukowcy przeszukali krzaki na tych wzgórzach, znaleźli Timema cristinae z wzorami w dwóch kolorach. Jedne były całkiem zielone, podczas gdy drugie miały białe paski wzdłuż ciał. Zależnie od badanego krzaka znajdowali większość zielonych owadów, większość w paski lub mieszankę obu.

Nie jest niespodzianką, że mogą znaleźć mieszankę owadów. Patyczaki nie mają skrzydeł, więc żyją na ogół na jednym krzaku przez całe życie. Kiedy jednak wyłania się nowe pokolenie patyczaków, niektóre owady mogą przejść na inny krzak.

Dlaczego jednak dwie takie różne postaci tego samego gatunku? Ekolog Cristina Sandoval pierwsza zrozumiała, że odpowiedź jest związana z krzakami, na których żyją patyczaki. Każdy z tych dwóch wzorów może wykonywać dobrą robotę chronienia patyczaka przed ptakami – pod warunkiem, że żyje on na właściwym krzaku.  

Jeden gatunek krzaków, na których żyją te owady, ma grube, zielone liście. Całkowicie zielony patyczak stapia się z listowiem. Inny gatunek krzaków ma liście przypominające igły. Biały pasek na patyczakach dzieli go na zielone paski, co bardzie przypomina cienkie liście.

Jeśli patyczaki dostają się na niewłaściwy krzak, tracą swój kamuflaż. Na tle cienkich liści solidnie zielone owady są łatwo widoczne. Na dużych liściach białe paski innych patyczaków wyglądają nie na miejscu.

Nosil z kolegami badali, jak te różne rodzaje kamuflażu działają na wzgórzach Kalifornii. Mapa owadów i krzaków popiera to. W miejscach, gdzie jest dużo krzaków o grubych liściach, patyczaki są na ogół całe zielone. W miejscach, gdzie dominują wąskie liście, większość owadów ma białe paski. Jeśli jednak krzak o grubych liściach otoczony jest krzakami o cienkich liściach, będzie miał wiele niedostosowanych owadów. To jest wzór, jakiego można oczekiwać z kombinacji napędzanego przez ptaki doboru naturalnego i owadów przenoszących się na sąsiednie krzaki.

Dla porządnego sprawdzenia tej tezy Nosil, jego student Tim Farkas i ich koledzy zbadali 186 krzaków na wzgórzach kalifornijskich. Schwytali wszystkie patyczaki na krzakach, żeby policzyć populacje. Odkryli, że kiedy owady były dobrze dostosowane do krzaka, było ich bardzo dużo. Kiedy były źle dostosowane, populacja była znacznie mniejsza. To miało sens, jeśli ptaki łapią owady, które łatwo dostrzec na krzaku.

Następnie Nosil z kolegami zmienili populację patyczaków na każdym krzaku. Do niektórych dodali 200 dobrze dostosowanych owadów. Do innych dodali 200 niedostosowanych. Poczekali przez miesiąc – w którym to czasie owady żerowały na krzaku, a ptaki żerowały na owadach – i wrócili, żeby zobaczyć, jak wygląda sytuacja.

Na krzakach z niedostosowanymi owadami populacje liczyły połowę tego, co Nosil znalazł na krzakach z dobrze dostosowanymi owadami. Prawdopodobnie ptaki ucztowały na łatwo dostrzegalnych patyczakach.

Efekty jednak nie zatrzymały się na tym. Rozeszły się falą na inne gatunki. Nosil z kolegami liczyli nie tylko patyczaki na krzakach – podliczyli także gąsienice, pająki i inne bezkręgowce. I odkryli dużą zmianę także w ich liczebności. Na krzakach z źle dostosowanymi patyczakami, inne gatunki także zmniejszyły się o połowę.

Nie tylko liczebność zmniejszyła się dla wszystkich gatunków, ale niektóre gatunki całkowicie zniknęły z krzaków. Z drugiej strony, na krzakach z dodatkowymi zakamuflowanymi patyczakami inne gatunki czuły się świetnie.

Nosil z kolegami odkryli także, że tym eksperymentem zmienili same krzaki. Patyczaki żują liście, więc rozsądne jest przypuszczenie, że krzaki z mniejszą liczbą patyczaków będą mniej zżute. Naukowcy zastanawiali się jednak, jakich szkód doznawały rośliny od innych owadów, które przekłuwają lub wysysają rośliny zamiast je przeżuwać. Odkryli, że krzaki pełne źle dostosowanych patyczaków poniosły także mniejsze szkody tego rodzaju.

Było zaskoczeniem, że pozbycie się patyczaków doprowadzi także do zniszczeń wśród innych gatunków. Zniknięcie patyczaków mogło doprowadzić do wzrostu populacji innych zwierząt, ponieważ zmniejszyłaby się konkurencja o żywność. Dla zrozumienia, dlaczego tak się nie stało, Nosil powtórzył eksperyment, ale z pewną zmianą. Na niektórych krzakach rozciągnął siatkę drucianą, żeby nie mogły się tam dobrać ptaki.

Na krzakach bez siatki rezultat był taki sam: patyczaki i inne gatunki zniszczone, kiedy patyczaki były źle dostosowane, ale krzaki na tym skorzystały. Siatki druciane zlikwidowały jednak te wyniki na chronionych krzakach. Nie było żadnej różnicy między krzakami z dobrze i źle dobranymi patyczakami.

Ten eksperyment ustalił, że ptaki są odpowiedzialne za wszystkie efekty widziane przez naukowców. Przyciągały je niedostosowane patyczaki, ponieważ jest tak dużo patyczaków w tych krzakach. A potem zostawały na krzaku, by ucztować na innej zdobyczy. Kiedy ptaki oczyściły krzaki z wszystkich zwierząt, tym samym je chroniły.

Dodanie dodatkowych patyczaków do krzaka odzwierciedla różne kombinacje patyczaków, jakie znajduje się w naturze. Nosil twierdzi, że kiedy ewolucja działa na patyczaki, kształtuje rozmaite inne gatunki  na wzgórzach Kalifornii. Dla zrozumienia, dlaczego jest dana liczba gatunków w jednym miejscu, naukowcy mogą musieć zrozumieć szybką ewolucję, jaka tam zachodzi. Moc ewolucji koloru, jak się wydaje, wykracza daleko poza nasz wzrok.

Evolution in Color: From Peppered Moths to Walking Sticks

The Loom, 9 października 2013

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska