Albinuțele hawaiiene. Un pui de cinteză Laysan juvenil (centru), iar în sensul acelor de ceasornic de sus: Hawai’i ‘akepa, Maui parrotbillbill, po’ouli, i’iwi, Maui ‘alauahio și ʻakiapōlāʻau. .
Imagine: H. Douglas Pratt .

În mijlocul Oceanului Pacific, la mii de kilometri distanță de orice masă continentală de dimensiuni semnificative, se află arhipelagul Hawaiian. În ciuda locației sale îndepărtate și a tinereții geologice, acest lanț de insule debordează de o exuberanță de viață: plante, insecte, păsări. Un grup de păsări endemice pentru aceste insule este cel al merișoarelor hawaiiene. Cărăbușul de miere hawaiian „tipic” – dacă există așa ceva – se hrănește cu nectar, are un penaj viu colorat și cântă un cântec asemănător unui canar. Dar fiecare specie a dezvoltat obiceiuri alimentare speciale și o formă specială a ciocului pentru a ocupa o nișă diferită pe o anumită insulă din arhipelagul Hawaii. Se știe că au existat cel puțin 56 de specii de ciocârlii hawaiiene, deși (nu datorită oamenilor), toate, cu excepția a 18 dintre ele, au dispărut în prezent.

Din păcate, ca toate speciile care locuiesc pe insule, aceste păsări emblematice continuă să dispară. De exemplu, în 2004, misteriosul po’ouli mâncător de melci, Melamprosops phaeosoma, a devenit cea mai recentă victimă, după ce ultimul individ a murit în captivitate. Dintre cele câteva specii care încă supraviețuiesc, șase sunt considerate în pericol critic de dispariție de către Uniunea Internațională pentru Conservarea Naturii, alte patru sunt în pericol și cinci sunt vulnerabile.

Dar chiar și această gamă sever diminuată de specii este informativă: biologii evoluționiști și ornitologii consideră că păsările de miere din Hawaii reprezintă unul dintre cele mai bune exemple de radiație adaptativă – chiar mai diverse decât faimoasele pinteni din Galapagos ale lui Darwin.

„Au existat cândva mai mult de 55 de specii ale acestor păsări cântătoare colorate, iar acestea sunt atât de diverse încât, din punct de vedere istoric, nici măcar nu era pe deplin clar că toate făceau parte din același grup”, spune Heather Lerner, profesor asistent de biologie la Earlham College din Indiana și director al Muzeului Joseph Moore.

Majoritatea autorităților sunt de acord că una (sau poate mai multe) specii de cinteze cardueline (Fringillidae: Carduelinae) sunt progenitoarele probabile ale cintezelor de miere din Hawaii. Cu toate acestea, este dezbătut dacă meliferele au evoluat dintr-o singură specie parentală sau din mai multe și dacă a existat un singur eveniment de colonizare sau mai multe. Chiar dacă nu se știe care este sora carduelinei din Hawaii, oamenii de știință arată că speciile Loxia (doi:10.2307/2406551) și Pinicola enucleator (doi:10.1111/j.1096-3642.2004.00117.x) sunt exemple bune de specii înrudite, ale căror trăsături comportamentale și ecologice ar putea servi drept modele pentru modul în care Hawaii ar fi putut fi colonizată.

Copârlanul Nihoa, Telespiza ultima, se hrănește cu ouă de păsări, artropode, flori și semințe.
Imagine: Jack Jeffrey.

Dar diversitatea extraordinară a ciocârliilor hawaiiene, care este ușor de observat în gama largă de forme și dimensiuni ale ciocârliilor, sporește confuzia.

„Unii mănâncă semințe, alții mănâncă fructe, unii mănâncă melci, alții mănâncă nectar. Unele au ciocul de papagal, altele de uruială, în timp ce unele sunt asemănătoare cu cele ale pintenilor, iar altele au ciocul drept și subțire”, spune Dr. Lerner. Este posibil ca această diversitate incredibilă să fi apărut dintr-o singură specie progenitoare într-o perioadă atât de scurtă de timp?

O echipă internațională de oameni de știință, condusă de Dr. Lerner în timp ce era cercetător postdoctoral la Smithsonian Conservation Biology Institute’s Center for Conservation and Evolutionary Genetics, și-a propus să răspundă la această întrebare. Coresponsabilii ei, Rob Fleischer și Helen James, au studiat în cea mai mare parte a carierei lor meliferele hawaiiene. Împreună, ei au conceput proiectul, au asigurat toată finanțarea și au fost implicați în fiecare etapă de implementare a studiului.

Hawai’i ʻAkepa, Loxops coccineus. Această specie are un cioc încrucișat pe care îl folosește pentru a desface mugurii de frunze pentru a extrage micile omizi.
Imagine: Jack Jeffrey.

Pentru a identifica potențialul progenitor al ciocârliei hawaiiene, Dr. James, expertă în identificarea speciilor de păsări hawaiiene prin examinarea minuțioasă a subfosilelor acestora, și-a folosit cunoștințele vaste și priceperea pentru a identifica speciile de păsări vii a căror formă și structură erau cele mai apropiate de ciocârlia hawaiiană.

Echipa a asamblat o bază de date genetice de ADN de la speciile de păsări alese de Dr. James. De asemenea, echipa a adăugat la această bază de date și păsări asemănătoare din punct de vedere genetic care împărtășeau o proximitate geografică.

„Pentru speciile outgroup, în plus față de selectarea speciilor despre care aveam motive să credem că ar putea fi rude apropiate cu ciocârliile de miere hawaiiene, am urmărit să eșantionăm destul de bine regiunile continentale care înconjoară Oceanul Pacific”, spune Dr. James în e-mail. „Am inclus specii nord-americane, eurasiatice, sud-americane și unele specii holarctice.”

ADN-ul folosit în acest studiu a fost izolat și amplificat folosind protocoale de ultimă generație de secvențiere a ADN-ului de ultimă generație, dezvoltate de coautorii Michael Hofreiter și Matthias Meyer de la Institutul Max Planck pentru Antropologie Evolutivă din Germania.

Setul de date genetice finalizat conținea secvențe de ADN din genomuri mitocondriale complete (aproximativ 17kb), precum și 13 loci nucleari (cromozomiali) (8,2kb). Aceste date genetice au inclus toate cele 19 specii de merișoare hawaiiene recent existente, împreună cu 28 de cardueline strâns înrudite cu vrăbiuța de casă, Passer domesticus, ca și grupuri secundare. Acesta este un număr mare de rude apropiate, dar a fost esențial, deoarece nu se cunoștea adevărata istorie evolutivă a merișoarelor hawaiiene. În total, echipa a adunat peste 22.000 de perechi de baze de date de secvențe de la fiecare dintre cele 47 de specii.

Aceste date de secvență au fost analizate intensiv pentru a identifica relațiile filogenetice. Mai multe metode de inferență statistică, utilizate în mod obișnuit în știință, au rezolvat fără ambiguitate relațiile evolutive dintre ciocârlii și rudele lor apropiate, dezvăluind că, dintre păsările eșantionate, trandafirii sunt cele mai apropiate rude ale ciocârliilor hawaiiene (figura 1, de mai jos; sau faceți clic pentru o vizualizare mai mare):

Figura 1.
doi:10.2307/2406551

Când acești arbori filogenetici – unul construit din datele genomului mitocondrial (figura 1A) și celălalt construit atât din datele mitocondriale, cât și din cele nucleare (figura 1B) – sunt comparați unul cu celălalt, ei sunt remarcabil de asemănători.

Aceste date sunt reprezentate în două figuri elegante; o cloudogramă (figura 1A) și o topologramă (figura 1B). Ambele „ograme” sunt concepute pentru a arăta exact unde se află punctele forte și punctele slabe în arborii filogenetici recuperați: ramurile mai neclare dezvăluie mai multă incertitudine în analiza datelor, în timp ce ramurile mai întunecate corespund unui acord mai mare, unui consens statistic mai mare.

„Doar două topologii au fost susținute în analiza Bayesiană”, explică Dr. Lerner în e-mail.

O cloudogramă arată toți arborii filogenetici recuperați de o analiză Bayesiană într-o singură imagine – aceasta poate fi de până la 10.000 de arbori! În figura 1A, cele două topologii se potrivesc — cu excepția micii ramuri albastre care duce la ʻakiapōlāʻau.

ʻAkiapōlāʻau, Hemignathus munroi, este o versiune paseriformă a ciocănitoarei, care se hrănește cu insecte care se ascund în crengile copacilor.
Imagine: Jack Jeffrey

Chiar dacă o topologramă seamănă cu o cloudogramă, ea diferă prin faptul că nu prezintă fiecare copac recuperat de analizele statistice. În schimb, o topologramă sortează toți arborii recuperați în funcție de forma lor și face o medie a lungimii fiecărei ramuri. Combinația acestor topologii cu lungimea medie a ramurilor este apoi utilizată pentru a genera un singur arbore, iar acești arbori sunt apoi comparați între ei în topologramă.

„Am ales o topologramă în loc de un arbore consensual , deoarece am vrut să arăt că topologiile alternative găsite în această analiză nu sunt foarte diferite”, explică Dr. Lerner în e-mail. „nd diferă în principal prin faptul că două specii sunt sau nu surori sau divergente una după alta”.

„vizualizarea sa arată că principala incertitudine (care este minimă) se află în momentul în care apar ramurile mai vechi. Acest lucru este arătat de neclaritatea din planul orizontal.”

Cea mai surprinzătoare descoperire din această parte a studiului a fost că strămoșul trandafirilor, un grup de specii eurasiatice, este cea mai apropiată rudă a tuturor ciocârliilor de miere hawaiiene existente. În mod tradițional, mulți oameni de știință au crezut că una – sau poate mai multe specii de cinteze a fost progenitoarea tuturor ciocârlanilor din Hawaii, dar nu știau ce tip de cinteză a fost sau de unde a venit. Cum a ajuns strămoșul trandafirului ancestral din inima Asiei până în Hawaii, cel mai îndepărtat petec de pământ de pe planetă – și în număr suficient de mare pentru a întemeia un întreg grup de specii?

„Un singur cuvânt”, răspunde Dr. Lerner. „Irupție”.

Rosefinches, speciile Carpodacus, împărtășesc o trăsătură importantă a istoriei vieții cu ciocârliile și cu pițigoiul de pin: se deplasează adesea în grupuri mari de sex mixt către noi locuri de iernat în afara arealului lor tipic, un comportament cunoscut sub numele de ”irupție”. După mutare, pot rămâne pentru a se reproduce în aceste noi regiuni.

„Deși, teoretic, este posibil ca un număr foarte mic de cinteze să fi fondat această radiație incredibil de diversă în 5-7 milioane de ani, mie personal îmi este mai ușor să îmi imaginez acest lucru când mă gândesc la comportamentul de irupție al cintezelor de trandafir”, explică Dr. Lerner.

„Mii, chiar zeci de mii de aceste păsări vor lua și vor căuta „pășuni mai verzi”, având în vedere chiar și cele mai subtile semnale de ofertă scăzută de hrană. Unul dintre aceste stoluri irruptive ar fi putut fi luat de o furtună și depus în arhipelagul Hawaiian. Mii de păsări din acel stol ar fi putut muri în timpul transportului, dar, cu toate acestea, alte sute sau chiar mii ar fi putut supraviețui.”

Dar când s-au diferențiat ciocârliile de miere hawaiiene de strămoșii lor comuni de trandafir? Pentru a răspunde la această întrebare, echipa a căutat indicii în istoria geologică a arhipelagului Hawaiian.

„Cred că distanța mare dintre insule permite un nivel ridicat de izolare între insule, ceea ce crește potențialul de diversificare”, spune Dr. Lerner în e-mail.

Echipă a determinat vârsta cladei de mierea de albine din Hawaii și ritmul evoluției sale prin aplicarea a trei puncte de calibrare a vârstei insulare la filogenia lor mitocondrială-genomică calibrată în timp (figura 2, mai jos; sau faceți clic pentru o vizualizare mai mare). Pe baza acestei analize, echipa a estimat că strămoșii colonizatori ancestrali ai trandafirului au ajuns în Insulele Hawaii cândva între 7,2 și 5,8 milioane de ani în urmă (mya).

Figura 2.
doi:10.2307/2406551

Aceste constatări indică faptul că aproape toate speciile de ciocârlii de miere din Hawaii existente au deviat între 5,8 și 2,4 mias, când a apărut insula Oahu (4,0-3,7 mias). Mai mult, șase din cele zece linii majore de merișoare au evoluat în această perioadă. Aceste constatări sugerează că, dintre toate insulele din arhipelagul Hawaiian, apariția insulei Oahu a avut cel mai mare impact asupra evoluției honeycreeperilor hawaiieni. Izolarea sa relativă față de celelalte insule din arhipelag a oferit, se pare, o a doua mare zonă de uscat care a permis și mai multe adaptări și speciații pentru ciocârliile de miere hawaiiene.

Pe măsură ce coloniștii aviari s-au adaptat la condițiile de mediu de pe insulele lor de origine, dieta lor s-a schimbat. Forma ciocului lor s-a schimbat, trecând de la ciocul lor asemănător cu cel al cintezelor la ceva mai potrivit pentru noul lor stil de viață. Cântecele și colorația penajului lor s-au schimbat. Pe scurt, s-au specificat. Dar pentru că aceste insule sunt destul de apropiate de altele din cadrul arhipelagului, aceste specii noi s-au mutat ocazional de pe o insulă pe alta.

„Păsările de pe Kauai diferă de păsările de pe Maui și așa mai departe. Păsările de pe Maui pot, de asemenea, să colonizeze din nou Kauai și procesul începe din nou.”

Schimbarea între insule în arhipelagul Hawaiian este o formă de călătorie în timp în interiorul acestei lumi mici. Aceste insule sunt formate de activitatea vulcanică dintr-o sursă de magmă subacvatică. Acest „punct fierbinte” staționar aruncă magmă în timp ce placa tectonică de deasupra sa se deplasează încet spre nord-vest, asemănător unei benzi transportoare care trece pe lângă o linie de asamblare gigantică ce creează noi insule vulcanice. Insulele din partea nord-vestică îndepărtată a lanțului de insule au o vechime de multe milioane de ani. La capătul sud-estic al lanțului, apar noi vulcani. În prezent, un nou munte submarin se îndreaptă spre suprafața mării chiar la sud de Insula Mare. Insula Mare are doar jumătate de milion de ani – cea mai tânără insulă din arhipelag.

Combinația dintre depărtarea acestui arhipelag, numărul de insule rezonabil de mari și complexe din punct de vedere topologic și tinerețea sa geologică este ceea ce face din Hawai’i un „laborator evolutiv” unic. Majoritatea plantelor și animalelor hawaiiene nu se găsesc nicăieri altundeva în lume, iar vârsta speciilor reflectă vârsta insulei pe care trăiesc.

„Această radiație este una dintre comorile științifice naturale pe care arhipelagul le oferă în mijlocul Pacificului”, a declarat co-autorul Dr. James într-un comunicat de presă.

„A fost fascinant să putem lega un sistem biologic de o formațiune geologică și ne-a permis să devenim primii care oferă o imagine completă a istoriei de adaptare a acestor păsări.”

Inspirat de aceste descoperiri, Dr. Lerner secvențiază în prezent ADN-ul obținut de la specimene de muzeu și subfossile de la cât mai mulți meliferi hawaiieni dispăruți pentru a determina unde se încadrează aceste specii dispărute în arborele genealogic al meliferelor.

Studiile viitoare vor examina ADN-ul străvechi care este deteriorat sau degradat, astfel încât Dr. Lerner va utiliza din nou cele mai recente tehnici inovatoare pentru a construi un set de date suficient de informativ.

„Pentru mine, misterul evoluției honeycreeperului hawaiian nu va fi pe deplin rezolvat până când nu vom putea plasa cu încredere fiecare linie morfologică în arbore, inclusiv liniile reprezentate doar de specimene istorice și străvechi”, afirmă ea. „Lucrez la utilizarea capturii secvenței de ADN pentru a putea obține suficiente date pentru a putea plasa acești alți taxoni”.

‘I’iwi, Vestiaria coccinea, este o specie nectarivoră.
Imagine: Jack Jeffrey.

Surse:

Lerner, H., Meyer, M., James, H., Hofreiter, M., & Fleischer, R. (2011). Multilocus Resolution of Phylogeny and Timescale in the Extant Adaptive Radiation of Hawaiian Honeycreepers. Current Biology, 21 doi:10.1016/j.cub.2011.09.039

Heather Lerner

Helen James, curator responsabil pentru păsări, Institutul Smithsonian

Trevor Price

Comunicat de presă al Institutului Smithsonian

Artă prezentată (deasupra săriturii) de H. Douglas Pratt.

Alte surse citate:

Bock, W. (1970). Secvențe microevolutive ca un concept fundamental în modelele macroevolutive. Evolution, 24 (4) doi:10.2307/2406551

James, H. (2004). The osteology and phylogeny of the Hawaiian finch radiation (Fringillidae: Drepanidini), including extinct taxa. Zoological Journal of the Linnean Society, 141 (2), 207-255 doi:10.1111/j.1096-3642.2004.00117.x

Citește mai multe despre păsările endemice din Hawai’ian:

Cursa pentru salvarea celei mai rare păsări din lume: The Discovery and Death of the Po’ouli de Alvin Powell . (Recenzia mea despre această carte.)

Seeking the Sacred Raven: Politics and Extinction on a Hawaiian Island (Politică și dispariție pe o insulă din Hawaii) de Mark Jerome Walters . (Recenzia mea despre această carte.)

… … … … … … … … … … … … … … … … … …

twitter: @GrrlScientist
facebook: grrlscientist
email: [email protected]

NOTA: au fost făcute modificări minore la un paragraf în care se discută despre progenitorul melițarilor hawaiieni și al trandafirilor. Aceste modificări clarifică faptul că Hawai’i nu a fost colonizat exact de trandafirul comun de astăzi, ci, mai degrabă, a fost colonizat de un strămoș comun al trandafirilor și al mierii de albine care a trăit acum aproximativ 5 milioane de ani.