Opera mydlana, czyli więcej o łyskach

Dzisiaj skupię się na zdumiewającym odkryciu dokonanym przez mojego dawnego doktoranta Daia Shizuka (obecnie profesora w Nebrasce). W mojej pracy doktorskiej wnioskowałem, że łyski amerykańskie nie rozpoznają piskląt pasożytów lęgowych. Łącząc zrozumienie kluczowych danych o przyrodzie z eleganckimi eksperymentami Dai dowiódł, że myliłem się i byłem zachwycony tym wynikiem. To badanie jest najbardziej ekscytującym projektem ze wszystkich, w jakich kiedykolwiek brałem udział.

W tej historii jest kilka rzeczy, które mogą zainteresować czytelników – same odkrycia, ale także ważne zrozumienie, że nauka jest często zabałaganioną, krętą drogą do oświecenia. Eksperymenty często nie udają się, ale czasami w sposób, który daje ważne, nowe spostrzeżenia. Ponadto, przypadkowe obserwacje przyrodnicze, które początkowo wydają się dziwaczne i zagadkowe, mogą okazać się kluczowe dla zrozumienia, co się właściwie dzieje. I dodatkowy zbieg okoliczności: Dai Shizuku był post-doktorantem u kolegi Jerry’ego, Trevora Price’a w Chicago i przez rok pracował w laboratorium drzwi w drzwi z Jerrym

Poniżej: Dai Shizuka na naszym miejscu badawczym w Kolumbii Brytyjskiej.

Mój pierwotny wniosek, że łyski nie rozpoznają pasożytniczych piskląt, nie był zaskakujący w świetle tego, co wiemy o słynnych pasożytach międzygatunkowych, takich jak kukułki i  starzyki. Praktycznie rzecz biorąc, wszyscy ich gospodarze nie rozpoznają pasożytniczych piskląt, nawet kiedy różnica między gospodarzem i pasożytem jest absurdalnie wielka, jak pokazuje poniżej zdjęcie kukułki zwyczajnej (Cuculus canoris) i trzcinniczka zwyczajnego  (Acrocephalus scirpaceus). Pisklę kukułki w żaden sposób nie przypomina gospodarza i jest kilkakrotnie większe od swojego przybranego rodzica (zdjęcie z internetu). Ten brak rozpoznawania piskląt był od dawna zagadką ewolucyjną, szczególnie dlatego, że gospodarze potrafią niezmiernie sprawnie rozpoznawać jajo kukułcze, które różni się tylko nieznacznie od ich jaj.

Wróćmy do pasożytnictwa gatunkowego u łysek: czy potraficie wypatrzeć pasożyta? Założę się, że nie, ponieważ ja nie byłbym w stanie tego zrobić bez notatek, które pisklę pochodzi z którego jaja. To jest eksperymentalny lęg, który zawiera kilka piskląt, niebędących pisklętami gospodarza (wiem to, bo sam je dodałem do lęgu).

Dai nie planował badania rozpoznawania piskląt; to byłby szalony pomysł na doktorat, biorąc pod uwagę brak rozpoznania u gospodarzy kukułek. Zamiast tego ciekawiła go funkcja skrajnej asynchroniczności wykluwania się u łysek i zaprojektował kilka eksperymentów, w których tworzył lęgi wykluwające się synchronicznie, wymieniając pisklęta w gniazdach.

Wykluwamy wszystkie pisklęta łysek w inkubatorach w pomieszczeniu w terenie, co niezmiernie ułatwia wymianę piskląt między lęgami dla potrzeb eksperymentów. Zabieramy jaja z gniazda, gdy tylko pokazują oznaki wykluwania się (drobne pęknięcia skorupki) i zwracamy wyklute pisklęta do gniazda (właściwego lub rodziców zastępczych, zależnie od eksperymentu) w dniu, w którym wykluwają się. Z powodu asynchroniczności wykluwania się musimy odwiedzać to samo gniazdo kilka dni pod rząd, żeby zabrać wszystkie wykluwające się jaja i zwrócić pisklęta do gniazda. Zdjęcie poniżej pokazuje Daia przy naszych trzech inkubatorach.

Wymiana potomstwa między rodzinami ma długą historię w biologii ewolucyjnej; używa się tego w badaniach odziedziczalności, by kontrolować efekty środowiska na cechy. Krytycznie ważnym założeniem jest, że rodzice zastępczy traktują podrzucone potomstwo kogoś innego tak samo, jak traktowaliby własne, ale, oczywiście, łyski mają swój rozum. Dai przyszedł do mnie któregoś dnia ze złą wiadomością i z dobrą wiadomością. Zła wiadomość: eksperyment krzyżowego wychowywania zawiódł jako metoda badania wzorów wykluwania się, ponieważ przybrane pisklęta miały znacznie wyższą śmiertelność niż własne pisklęta gospodarza. Dobra wiadomość: ten wzór przeżywalności może sugerować, że łyski mogą być w stanie rozpoznawać niektóre pasożytnicze pisklęta. Krzyżowe wychowywanie jest jak dodawanie pasożytniczych piskląt do lęgu; ptaki dostają pisklęta innej pary i kiedy tym pisklętom wiedzie się gorzej, najprawdopodobniej jest to spowodowane dyskryminacją ze strony przybranych rodziców. Te wstępne wyniki wymagały badania eksperymentalnego na pełną skalę, by zbadać rozpoznawanie piskląt!

Następnego roku powtórzyliśmy ten sam eksperyment, ale ze znacznie większą próbką. Po niesłychanej ilości pracy nie znaleźliśmy żadnych dowodów na rozpoznawanie. Rok później, więcej eksperymentów i więcej harówki, ale ani cienia dowodu na rozpoznawanie. Wykonaliśmy także inny eksperyment, w którym wymienialiśmy pisklęta, ale zachowywaliśmy zwykły wzór asynchroniczności wykluwania, to także jednak nie pokazało dowodu rozpoznawania. 

Każdy zdrowy psychicznie człowiek poddałby się w tym momencie i uznał, że ptaki naprawdę nie rozpoznają pasożytniczych piskląt. Jednak Matka Natura ciągle kusiła nas sygnałami, że te ptaki rzeczywiście potrafią odróżnić własne pisklęta od pasożytów lęgowych. Kiedy obserwowałem lęg z pływającego schowka, oboje rodzice gromadki, którą obserwowałem, nagle rzucili się na jedno z piskląt i zaczęli je dziobać naprawdę agresywnie w sposób, jaki różnił się od normalnego lania spuszczanego pisklętom. Atakowały je kilkakrotnie i wydawało się, że robią to, gdy tylko pisklę wołało. Straciłem w końcu to pisklę z oczu, ale Dai znalazł je martwe kilka godzin później. Obrączka ujawniła coś ciekawego – pisklę było z pasożytniczego jaja! Był to pierwszy raz, kiedy byliśmy świadkami dzieciobójstwa i chodziło o pasożyta lęgowego. Film poniżej pokazuje ten atak:

Po drugie, adopcja jest bardzo rzadka w naszej populacji ptaków, było więc dziwaczne, że para łysek adoptowała trzy pisklęta swoich sąsiadów. Sprawdzenie w naszych danych, kim były te pisklęta, ujawniło, że wszystkie trzy były z pasożytniczych jaja złożonych przez adoptującą samicę w gnieździe sąsiadów. Pasożytnicze pisklęta wróciły do domu, do swoich biologicznych rodziców! Gdyby chodziło tu o ludzi, Hollywood prosiłby teraz o scenariusz. Ta obserwacja sugerowała, że rodzice rozpoznali pisklęta jako swoje biologiczne potomstwo, mimo że wykluły się w gnieździe sąsiadów.

Te intrygujące obserwacje przyrodnicze sugerowały, że coś pomijamy w naszych eksperymentach. Brakujący kawałek pojawił się z obserwacji tego, co wydawało się zupełnie niepoczytalną parą łysek. Znowu byłem w pływającej kryjówce, obserwując parę łysek z bardzo niedawno wyklutymi pisklętami. Wszystko wydawało się być normalne, a potem, jakby ktoś przekręcił kontakt – jedno z rodziców zaczęło zabijać własne pisklęta, jedno po drugim, aż wszystkie były martwe. Osłupiałem, bo nigdy wcześniej nie widziałem niczego takiego, a byliśmy pewni, że są to biologiczne dzieci tej pary rodziców. Tutaj jest film pokazujący zachowanie zabijania piskląt (w innym lęgu z eksperymentu opisanego poniżej, ale pokazuje dokładnie to zachowanie, jakie widziałem u rodziców-zabójców):

Kilka dni później, przy obiedzie, Dai zrozumiał, dlaczego ptaki oszalały i doznał olśnienia, które rozwiązało wszystko. Podczas dyskusji przy obiedzie jeden z asystentów terenowych wspominał, że widział szalone łyski karmiące dwa pisklęta przez krótki czas, zanim wykluły się jaja w ich gnieździe. Te ptaki czasowo zaadoptowały pisklęta sąsiadów przed wykluciem się ich jaj, ale pisklęta wróciły do domu, zanim jaja tej pary wykluły się. Dai rozumował, że łyski uczą się rozpoznawać swoje pisklęta i że krótki kontakt z niewłaściwymi pisklętami spowodował, że rodzice nauczyli się czegoś od niewłaściwych piskląt i kiedy ich pisklęta wylęgły się, błędnie uznali je za pasożyty lęgowe.

Ta linia rozumowania doprowadziła do hipotezy, że łyski uczą się rozpoznawania swoich piskląt przez imprinting na pisklęta, które wykluwają się pierwszego dnia – używają tych pierwszych piskląt jako wzoru i uczą się jakichś cech rozpoznawczych, które będą mogły stosować do piskląt, które wykluwają się w kolejnych dniach. Ta prosta reguła używania piskląt, które wykluwają się pierwszego dnia jest dość niezawodną regułą, ponieważ w większości gniazd pisklęta gospodarza wykluwają się pierwszego dnia. Cechy, których uczą się rodzice, mogą dotyczyć wokalizacji, zapachu i wyglądu – lub jakiejś kombinacji tych cech. Te cechy, aby były użyteczne, muszą różnić się między parami, ale nie wewnątrz własnego lęgu danej pary – tak jak różnią się ich jaja. Ta hipoteza mogła także wyjaśnić, dlaczego nie wychodziły nasze eksperymenty. Jeśli rodzice uczą się od piskląt, które wykluwają się pierwszego dnia, to rodzice w gniazdach, w których zarówno ich jaja, jak jaja pasożyta, wykluwają się pierwszego dnia, uczą się, że oba typy piskląt są ich własne i nie będą w stanie rozpoznać pasożytniczych piskląt. A tak były zaprojektowane wszystkie poprzednie eksperymenty!

To zrozumienie przyszło niemal pod koniec tego, co miało być ostatnim sezonem terenowym tego projektu, ale uznaliśmy, że myśl jest tak ciekawa, że musi zostać zbadana. Wróciliśmy więc na jeszcze jeden rok – to była ostatnia szansa pokazania, że łyski rozpoznają pasożytnicze pisklęta.

Przeprowadziliśmy dwa główne eksperymenty dla przetestowania hipotezy Daia. Ponieważ wszystkie pisklęta wykluwały się w naszych inkubatorach, my decydowaliśmy, które pisklęta dostaną rodzice i w jakiej kolejności. W eksperymencie „gospodarz najpierw” daliśmy ptakom ich pisklęta pierwszego dnia po wykluciu, a potem równy zestaw piskląt gospodarza i obcych każdego kolejnego dnia. Obce pisklęta były z innego lęgu i są odpowiednikiem pasożytów lęgowych. Obrazek poniżej pokazuje strukturę eksperymentu. Jeśli rodzice uczą się pierwszego dnia, które pisklęta są ich własne, to możemy przewidzieć, że pisklęta obce („pasożyty”) będą miały większą śmiertelność niż pisklęta gospodarza (oceniane tylko dla piskląt z dnia, w którym wykluwają się oba typy). Dla przetestowania mechanizmu uczenia się, rzeczywista próba przychodzi ze skłonienia ptaków do zrobienia niewłaściwej rzeczy. Dlatego zrobiliśmy drugi eksperyment, w którym ptaki dostawały tylko obce pisklęta pierwszego dnia, a potem równą mieszankę swoich i obcych w kolejnych dniach (eksperyment „obcy najpierw”). Jeśli ptaki rzeczywiście uczą się od pierwszych wyklutych piskląt, to powinien być imprinting na niewłaściwe pisklęta i dyskryminacja piskląt własnych.

Po ustawieniu kilku pierwszych eksperymentów, siedzieliśmy jak na szpilkach. Potem, po zbadaniu zaledwie trzech lęgów, wiedziałem, że wreszcie złamaliśmy klątwę. Wyniki były tak wyraźne i mocne, że mieliśmy teraz przekonujące dowody eksperymentalne, że łyski rozpoznają pasożytnicze pisklęta. Ptaki, które dostały własne pisklęta pierwszego dnia, były w stanie rozpoznać wiele pasożytniczych piskląt, które wykluwały się od dnia drugiego, podczas gdy ptaki, które pierwszego dnia dostały pisklęta kogoś innego, traktowały własne pisklęta jak pasożytów. Dowód rozpoznawania przyszedł z dużych różnic śmiertelności między typami piskląt, zgodnymi z przewidywaniami. I te różnice śmiertelności zachodziły tak szybko, że ledwie byliśmy w stanie zobaczyć, co właściwie je powoduje (różnice były już zanim zdążyliśmy sprawdzić po raz pierwszy większość lęgów). Byliśmy jednak w stanie obserwować kilka lęgów bezpośrednio po wykluciu, żeby zobaczyć, co się dzieje. Tak samo jak obłąkana para łysek, która zabiła wszystkie swoje pisklęta, te ptaki bardzo szybko pozbywały się wielu piskląt, które były „niewłaściwymi” pisklętami. W trzech lęgach widzieliśmy tylko samice zabijające pisklęta, ale w innym lęgu robiły to obie płcie. Nasz eksperyment pokazał nie tylko rozpoznawanie piskląt, ale też, jak to się dzieje: rodzice uczą się czegoś o pisklętach, które wykluwają się pierwszego dnia. Nie wiemy jeszcze, jaką informację otrzymują rodzice, ale mocno podejrzewam, że informacja jest w wokalizacji piskląt.

Jesteśmy świadomi tego, że takie eksperymenty, jak nasze, budzą pewne niepokoje etyczne. Proszę jednak pamiętać, że nie stworzyliśmy nienaturalnego zachowania, które normalnie nie istnieje. Ponadto, na naszych moczarach co roku tysiące piskląt łysek ginie z głodu; nie jestem pewien, że jest to łagodniejszy los niż ten, który spotkał pisklęta pasożytnicze.

Reader’s wildlife photos (with-more-science)

Why Evolution Is True, 20 sierpnia 2017

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Wcześn iejsze części Opery mydlanej:

Łyski amerykańskie i ichobyczaje

Opera mydlana: z życia łysek-amerykańskich. Część II

Opera mydlana: z życia-łysek amerykańskich. Część III
Opera mydlana: Pasozytnictwo lęgowe łysek amerykańskich