Zašto je putnički golub izumro?

Iako su putnički golubovi bili žrtve lovaca na ljude, još uvijek ne razumijemo točno kako vrsta može opadati s milijardi na milijune u razdoblju od pedeset godina. Može li nam genetika dati korisne tragove?

napisao GrrlScientist za Forbes | @GrrlScientist

Putnički golubovi (Ectopistes migratorius), muzejski primjerci. (Doi: 10,1126 / science.aao0960)

Kako izumiranja prolaze, izumiranje putničkog goluba uistinu je nevjerojatno ljudsko dostignuće, bez premca u zabilježenoj povijesti: zahvaljujući našem predanošću nemilosrdnom ubijanju u kombinaciji s velikim uništavanjem staništa, populacija ovih ikona ptica srušila se s milijardi na nulu u samo pedeset godine. Ali kako su ove ptice mogle tako brzo propadati? Sigurno ljudi nisu ubili svakog posljednjeg, zar ne? Zar ne bi trebalo velike, široko rasprostranjene populacije štiti vrste od istrebljenja? Zašto neki golubovi nisu preživjeli u udaljenim područjima?

Misterija se produbljuje

U studiji objavljenoj 2014. godine, istraživači su pokušali shvatiti kako takva obilna vrsta može biti izumrla, posebno budući da su mnogi znanstvenici procijenili da su putnički golubovi, vjerojatno, najgušće naseljene vrste ptica na svijetu. Unatoč njihovoj ogromnoj populaciji, studija iz 2014. pokazala je da putnički golubovi imaju mnogo manju genetsku raznolikost od očekivane. Autori te studije su zaključili da putnički golubovi nisu uvijek prekomjerni (ref; pročitajte više).

Analiza istraživača pokazala je da je broj putničkih golubova nedavno eksplodirao (slično trenutnoj eksploziji ljudske populacije) ili je njihova populacija prirodno fluktuirala tisuću puta ili više u kratkim vremenskim razdobljima (ovaj obrazac populacije primjećen je kod nekoliko vrsta izbijanja , poput skakavaca iz Australije, Chortoicetes terminifera ili lemmings, Lemmus lemmus.). Na temelju svojih otkrića, autori studije iz 2014. zaključili su da je putnički golub „izbijajuća vrsta“ i da je njihov periodični pad populacija stvorio genetska uska grla koja su smanjila genetsku raznolikost s očekivane razine. Također su predložili da se populacija putničkih golubova već u prirodnom padu kada su se pojavili europski imigranti i kolonisti i gurnuli ih preko ruba u izumiranje.

Odrasli muški putnički golub (Ectopistes migratorius; Linnaeus, 1766). Ova vrsta izumire. (Mount, pomalo izblijedio, javni prikaz, Prirodoslovni muzej polja.) (Prilog: James St. John / CC BY 2.0)

No, nova studija (ref) osporava taj zaključak: nakon određivanja i analize četiri genoma golubskih golubova i 41 mitohondrijskog genoma pojedinaca prikupljenih širom širenja ove ptice, autori ove nove studije potvrdili su da da, genom putničkih golubova imao je iznenađujuće malu raznolikost u usporedbi s ukupnom veličinom njihova stanovništva.

Ali kada su istraživači pažljivo pregledali cijeli genom, otkrili su da se genetska raznolikost razlikuje: neke regije genoma imale su vrlo malu raznolikost, dok druge nisu. Ovo je bilo neočekivano. Istraživači su zaključili da, ako bi populacija putničkih golubova fluktuirala tisućama puta u dužem vremenskom razdoblju, tada bi na genetsku raznolikost u svim regijama genoma trebalo utjecati jednako.

Nadalje, otkrili su da genetska raznolikost mitohondrijskog genoma ne odgovara genomskim podacima. Umjesto toga, mitohondrijski genom putničkih golubova ukazivao je na to da je njihova populacija bila stabilna posljednjih 20.000 godina - vremensko razdoblje koje je uključivalo dramatične klimatske promjene, poput kraja posljednjeg ledenog doba u Sjevernoj Americi, a to je točno kada biste mogli očekivati vidjeti fluktuacije stanovništva.

Curiouser i curiouser

Putnički golub, Ectopistes migratorius, bile su zgodne ptice srednje veličine koje su odgajale svoje obitelji u ogromnim društvenim kolonijama širom istočnih Sjedinjenih Država. Uglađena i vitka, ova vrsta građena je na brzinu i slobodno su lutala na velikim udaljenostima (slika 1A).

Sl. 1A. Raspon putničkih golubova i uzorak uzoraka Raspon putničkih golubova u vrijeme europskog kontakta (tamnocrvena: uzgojni domet; svijetlo crvena: puni raspon) i trenutni raspon golubova s ​​remenom (ljubičasta) s urezom koji pokazuje mjesto podrijetla Ovdje je analiziran 41 uzorak putničkih golubova. Lokacije četiri uzorka iz kojih su nastali nuklearni genomi označeni su plavom kutijom. (Doi: 10,1126 / science.aao0960)

Vrhunski način života putničkih golubova zabilježen je u njegovom genomu, koji nije otkrio nikakvu prepoznatljivu geografsku strukturu koja se obično vidi kod više sjedilačkih vrsta (slika 1B).

Sl. 1B. Procjena efektivne veličine (Ne) populacija golubova iz mitohondrijskih genoma. Navedeno Ne (plavo sjenčanje ukazuje na 95% intervala HPD-a) i mitohondrijsku filogeniju iz Bayesove koalescentne analize. Boje u umetku (Slika 1A) odgovaraju filogeniji u (Slika 1B). Struktura filogenije nije u korelaciji s geografijom, što je u skladu s nepostojanjem geografske strukture stanovništva. (Doi: 10,1126 / science.aao0960)

Kao što sam spomenuo, bilo je prilično široko prihvaćeno da se populacija putničkih golubova podvrgavala ogromnim periodičnim fluktuacijama koje su zauzvrat smanjile njihovu ukupnu genetsku raznolikost s očekivane razine. No postoji još jedno moguće objašnjenje njihove neobične razine genetske raznolikosti: prirodna selekcija. Moguće je da je proces prirodne selekcije koji djeluje na jedan određeni gen rezultirao gubitkom raznolikosti među drugim obližnjim genima ili među onim genima koji su na neki način povezani s odabranim genima. Ovaj fenomen - kada odabrani gen utječe na sudbinu drugih gena u njihovoj genomskoj četvrti - u literaturi je poznat kao „efekt pješačenja“ (ref).

Tim istraživača istraživao je genetsku raznolikost putničkog goluba i usporedio to s genomom golubastog goluba, Patagioenas fasciata.

Golub s repom, (Patagioenas fasciata), najbliži je život u odnosu na izumrli putnički golub, (Ectopistes migratorius). (Kredit: aroid / CC BY 2.0.)

Iako su ove dvije vrste najbliža rodbina i ekološki su slične, imaju jednu veliku razliku koja je bila posebno važna u ovom istraživanju: populacija golubova u obliku rebra mnogo je manja od putničke golubice, i uvijek je bila.

"Jedina razlika između njih zaista je ta veličina populacije, tako da možemo početi istraživati ​​kakve bi mogle biti evolucijske posljedice biti prevelika populacija," rekla je molekularni biolog i stariji koautor studije Beth Shapiro, koja je profesor je na katedri za ekologiju i evolucijsku biologiju na kalifornijskom sveučilištu u Santa Cruzu.

Da bi to učinili, profesorica Shapiro i njezini kolege prikupili su sitne uzorke tkiva s jastučića nožnih prstiju uzoraka putničkih golubova prikupljenih po istoku Sjedinjenih Država (slika 1A), koji se čuvaju u brojnim muzejskim zbirkama. Pomoću tih uzoraka tkiva, istraživački tim izvadio je nuklearne ili mitohondrijske genome iz pojedinih putničkih golubova. Usporedili su genetske markere putničkog goluba s onima golubarskog goluba.

Na temelju svojih analiza, profesorica Shapiro i njezini kolege vidjeli su da neki dijelovi genoma putničkih golubova imaju veliku genetsku raznolikost, što ukazuje na to da su živjeli kao vrlo velika populacija jako dugo vremena (slika 2).

Sl. 2. π preko genoma golubskih golubova i repova golubova. (A) Histogram koji opisuje srednju vrijednost π za prozore od 5 Mb kroz putnike genoma golub (crveni) i rebrastog goluba (plavi). (B) Genomska raspodjela pojedinačnih parnih procjena srednje vrijednosti π u prozorima od 5 Mb na genima dviju vrsta. Svaka usporedba između - i unutar - pojedinačno prikazana je crvenim (28 usporedbi putničkih golubova) ili plavim (6 usporedbi golubova s ​​repovima). Granice kromosoma označene su kao okomite isprekidane crte. Kromosomi su poredani prema njihovoj veličini u pilećem genomu. (Doi: 10,1126 / science.aao0960)

No druge su regije genoma putničkog goluba imale nižu razinu očekivane od genetske raznolikosti (Slika 2), usprkos "neutralnim mutacijama". Neutralne mutacije nisu ni korisne ni štetne, ali mogu poslužiti kao bitna sirovina za prirodnu selekciju u kojoj će se ubuduće ponašati kao ptice prilagođene promjenjivom krajoliku. Dakle, autori su zaključili da je genom putničkih golubova pokazao "efekt pješačenja" snažne prirodne selekcije.

Autori tvrde da je to zbog obilja i ogromne pokretljivosti putničkih golubova; to je omogućilo da se blagotvorne mutacije vrlo brzo šire kroz čitavu populaciju, dok su štetne mutacije nestale jednako brzo. Zahvaljujući snažnoj prirodnoj selekciji na nekoliko korisnih gena, utjecala je i raznolikost drugih, obližnjih gena, koji nisu bili ni korisni ni štetni - u skladu s modelom „efekta hiking-planinarenja“.

Nemoguće se prilagoditi masovnom ubojstvu

Retrospektivno, očito je da putnički golub nije mogao podnijeti puno lova - i zasigurno ne onakav intenzivan, dosljedan pokolj kojem su bili podvrgnuti europski doseljenici i kolonisti.

"Naše masovno ubojstvo nad njima tijekom desetljeća bilo je jednostavno prebrzo da bi evolucija išla u korak", rekao je profesor Shapiro.

„Naše istraživanje pokazuje da su putnički golubovi bili izvanredno dobro prilagođeni za život u velikoj populaciji,“ objasnio je profesor Shapiro u e-poruci. „U velikoj je populaciji prirodna selekcija vrlo učinkovita. Ovo sugerira da bi se, ako se okruženje polako promijenilo (kao što može biti nakon posljednjeg ledenog doba), oni mogli prilagoditi tim promjenama (kao što su to činili na kraju posljednjeg ledenog doba). "

Međutim, u 1800-im se okruženje putničkih golubova naglo promijenilo zbog lova.

"Ubili smo milijune putničkih golubova tijekom samo nekoliko generacija putničkih golubova", rekao je profesor Shapiro u e-poruci. „Uopće nije bilo vremena da se putnički golubovi prilagode novom okruženju. Nisu umrli zato što su imali vrlo malu raznolikost ... nego zato što su se odjednom našli u okruženju koje se razlikuje od onoga u koje su bili prilagođeni, i dalje ih pretjerano iskorištava vrlo vješt grabežljivac, a sada im nedostaje učinkovito sredstvo za razvijaju se kao odgovor na ovu promjenu okoliša. "

Možemo li naučiti bilo kakve praktične lekcije iz ovog tragičnog događaja izumiranja? Ni ova studija ni studija iz 2014. ne daju nikakav genetski uvid u misterij kako je putnički golub tako brzo izumro. Na primjer, niti jedno od dosad objavljenih istraživanja nije smislilo kako predvidjeti koliko putničkih golubova može biti ubijeno prije nego što se cijela populacija zauvijek uruši u ništavilo. Kad je ta linija prešla?

Par putničkih golubova (Ectopistes migratorius; Linnaeus, 1766). Ova vrsta izumire. (Doi: 10,1126 / science.aao0960)

Konzervacija je lukav posao. Općenito, zaštitnici biologa pretpostavljaju da velikoj populaciji odgovara velika genetska raznolikost, a to, pretpostavlja se, djeluje kao zaštitni znak protiv izumiranja. Ali putnički golub služi kao moćan upozoravajući primjer da ta pretpostavka nije nužno istinita.

"Ima više što bismo trebali uzeti u obzir kada razmišljamo o populaciji ugroženoj nego o samo veličini stanovništva", složio se profesor Shapiro. Naglasila je da uspješni napori na očuvanju mogu zahtijevati odlučne mjere mnogo prije nego što se populacija određene vrste spusti ispod onoga što mislimo da je kritično niska razina.

„Sada mislimo obnoviti [ugrožene vrste] stvaranjem mrlja zaštićenih staništa,“ rekao je profesor Shapiro. "Ali ne znamo da li način na koji su se razvijali kroz cijelu povijest znači da nisu prikladni za život u maloj populaciji."

Putnički golub vjerojatno nije mogao preživjeti u maloj relikvijskoj populaciji. Njihov ogroman broj vjerojatno je bio jedna od njihovih najučinkovitijih strategija preživljavanja: nijedan predator ih nije mogao pobiti. Ta se strategija vidi kod nekih insekata i drugih životinja, pa čak i kod nekih kralježnjaka. Na primjer, atlantski bakalar, Gadus morhua, pretrpio je nevjerojatno sličnu sudbinu kao putnički golub. Povijesno gledano, ove su ribe živjele u izuzetno velikim populacijama uzduž Newfoundlandovih velikih banaka sve do devedesetih godina prošlog vijeka, kada se njihov broj srušio zbog obilnog ribolova. Iako je svu ribarsku populaciju bakalara na sjevernom Atlantiku zaustavio prije više od 15 godina, taj se ribolov i dalje smanjuje i predviđa se da će u roku od 20 godina izumrijeti (ref).

Genetika je samo dio priče. Na temelju povijesnih izvještaja, prilično smo sigurni da su se putnički golubovi prilagodili životu u velikim zajednicama.

„Poznato je da su surađivali u pronalaženju hrane, a sarađivali su i u uzgoju mladih“, rekla je glavna autorica Gemma Murray, evolucijski biolog iz UCSC-a. "[T] hese vrste ponašanja su vrste stvari koje mogu funkcionirati vrlo dobro kad je vaša populacija velika i gusta. Ali kad je lov imao veliki utjecaj na njihovu populaciju, pa se njihov broj vrlo smanjio u 19. stoljeću, možda te stvari više nisu funkcionirale. "

Podaci profesora Shapiro i njezinih kolega sugeriraju da putničkom golubu nedostaje genetskih resursa potrebnih za prilagodbu njihove fiziologije i ponašanja dovoljno brzo da žive u malim zajednicama, a to je proizlazilo, barem djelomično, od smanjenja genetske raznolikosti koja je bila potrebna za da se to dogodi. To je rezultat obrasca rasprostranjenog, sistemskog zlostavljanja od strane ljudi.

"Izumiranje putničkih golubova bilo je moguće izbjeći", primijetio je profesor Shapiro. "Potpuno smo bili krivi. Previše smo lovili i eksploatirali ovu čudesnu životinju, i trebali bismo pokušati biti oprezni u onome što danas radimo. "

Putnički golubovi iz kolekcije Muzeja prirode i znanosti Denvera. (Kredit: Rene O'Connell / doi: 10.1126 / science.aao0960)

Izvor:

Gemma GR Murray, André ER Soares, Ben J. Novak, Nathan K. Schaefer, James A. Cahill, Allan J. Baker, John R. Demboski, Andrew Doll, Rute R. Da Fonseca, Tara L. Fulton, M. Thomas P. Gilbert, Peter D. Heintzman, Brandon Letts, George McIntosh, Brendan L. O'Connell, Mark Peck, Marie-Lorraine Pipes, Edward S. Rice, Kathryn M. Santos, A. Gregory Sohrweide, Samuel H. Vohr, Russell B. Corbett-Detig, Richard E. Green i Beth Shapiro (2017). Prirodna selekcija oblikovala je porast i pad genske raznolikosti putničkih golubova, Science, 358: 951–954 doi: 10.1126 / science.aao0960

Također citirano:

Chih-Ming Hung, Pei-Jen L. Shanera, Robert M. Zink, Wei-Chung Liu, Te-Chin Chu, Wen-San Huang i Shou-Hsien Li (2014). Drastične fluktuacije stanovništva objašnjavaju brzo izumiranje putničkog goluba, Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 111 (29): 10636–10641 | doi: 10,1073 / pnas.1401526111

Izumiranje putničkih golubova: komplicirano je

John Maynard Smith i John Haigh (1974). Utjecaj povoljnog gena na brzinu, Genetic Research, 23 (1): 23–35 | doi: 10,1017 / S0016672300014634

GrrlScientist je vrlo aktivan na twitteru @GrrlScientist i možete pratiti sva njena pisanja pretplativši se na njezin TinyLetter

Izvorno objavljen u Forbesu 24. studenog 2017.