Ewolucja: gdy robi się coraz cieplej, ptaki zmniejszają się i wydłużają dzioby oraz nogi

Ptaki korzystają z wielu mechanizmów termoregulacji. Nie są może w stanie pocić się, jak ludzie, ale kiedy robi się gorąco, aby się ochłodzić - dyszą, mogą zażywać ożywczych kąpieli, chować się w chłodnych kryjówkach, biegać czy latać (wtedy owiewane są przez powietrze). W mroźne dni zaś nie trzęsą się - jak ssaki - z zimna (generując wtedy ciepło w mięśniach), ale za to stroszą pióra, unikają ruchu, tulą się do innych osobników, chowają pod pióra dziób i nogi, ukrywają się w ciepłych gniazdach.

Kiedy jednak nie chodzi o anomalie pogodowe, ale o klimat, z którym trzeba sobie radzić przez całe życie, stają się widoczne w ewolucji pewne tendencje. Sprawiają one, że kolejne pokolenia coraz lepiej radzą sobie z temperaturą otoczenia.

Takimi zasadami są znane od dekad i odnoszące się do ssaków i ptaków zasada Allena i zasada Bergmanna. Obie z nich bazują na obserwacji, że ciało zwierząt stałocieplnych działa jak radiator - ciepło z niego rozpraszane jest do otoczenia. Kiedy w otoczeniu jest często upał - musi ono umieć łatwo pozbywać się ciepła. A kiedy przez dużą część roku jest zimno - musi efektywnie blokować odpływanie ciepła.

Zasada Bergmanna polega na tym, że w cieplejszych klimatach ewolucja często prowadzi do zmniejszenia rozmiarów ciała (bo małe ciało łatwo ochłodzić). A w chłodnych klimatach - do zwiększenia rozmiarów (bo ciało o dużych rozmiarach łatwiej utrzymuje w chłodzie wysoką temperaturę). To dlatego w tropikach jest wielkie bogactwo gatunków malutkich ptaków - w tym kolibrów. A wielkie albatrosy (a wśród ssaków - morsy i słonie morskie) są raczej typowe dla stref chłodnych.

Zasada Allena z kolei dotyczy zmian, jakim ewolucja poddaje peryferyjne części ciała (po angielsku: appendages). W przypadku ptaków chodzi o nieopierzone części ciała: dzioby i nogi (a w przypadku ssaków - kończyny, ogon, szyja, uszy). Są to części ciała, przez które ucieka najwięcej ciepła. U ptaków w klimatach ciepłych jest więc tendencja do tego, by dzioby stawały się coraz większe (takie dzioby mają choćby tropikalne tukany), a nogi - coraz dłuższe (skojarzyć można to ze strusiami). Z kolei w chłodnych klimatach ptaki mają tendencję do zmniejszania rozmiaru dziobów (przykładem jest niewielki dziób sowy śnieżnej) i skracania nóg (przez krótkie nogi tak charakterystyczny jest chód pingwinów). Podobnie jest w przypadku ssaków.

Choć obie zasady były od dawna znane i - każda z osobna - przebadane, dr Arkadiusz Fröhlich z Instytutu Ochrony Przyrody PAN z zespołem postanowił zbadać, jak te zależności mają się względem siebie i jak ze sobą współdziałają. Badacze przeanalizowali dane na temat występowania i wymiarów niemal wszystkich, bo aż 9962 gatunków ptaków (na około 10 tys.). Badania ukazały się w "Nature Communications".

"Zastosowaliśmy modele ewolucyjne, a więc nie porównywaliśmy bezpośrednio np. wróbli z kaczkami, ale ptaki w obrębie tzw. rodzin, a więc gatunki ze sobą spokrewnione. Na przykład jak różnią się rozmiary ciała, proporcje dzioba, skoku u kaczkowatych zamieszkujących różne strefy klimatyczne. Albo jak różnią się poszczególne wymiary między wróblakami z różnych części świata" - tłumaczy. W ten sposób łatwiej dawało się zauważyć względne różnice, które pojawiają się stosunkowo szybko za sprawą różnic klimatycznych.

Badania pokazały, że jest możliwy kompromis między zasadami. W klimatach ciepłych występują duże ptaki (np. strusie), co na pierwszy rzut oka przeczy zasadzie Bergmanna. Jest to możliwe m.in. dzięki temu, że w toku ewolucji ptaki te znalazły sposób na dobrą termoregulację: w kolejnych pokoleniach stopniowo wydłużały nogi i szyję.

Z kolei w klimatach chłodnych spotyka się gatunki niewielkie. Jest to możliwe m.in. dzięki temu, że mają zwykle niewielki w stosunku do ciała dziób i krótkie nogi. Dzięki zastosowaniu zasady Allena można więc wyjaśnić, dlaczego zwierzęta „oszukały” regułę Bergmanna.

W klimatach chłodnych możemy spotkać ptaki o dużych dziobach i długich nogach (np. bociany). Mają one jednak spore rozmiary korpusu, dzięki czemu w chłodne dni są w stanie zniwelować utratę ciepła przez peryferyjne części ciała.

Z badań wynikło, że zasady Allena i Bergmanna współdziałają ze sobą. "A jeśli weźmie się pod uwagę interakcje pomiędzy nimi, to są one w stanie wyjaśnić 20 procent zmienności między gatunkami. Zasady związane jedynie z termoregulacją mają więc spore znaczenie, ale stanowią tylko wycinek procesów, które sprawiają, że zwierzęta tak bardzo różnią się między sobą" - komentuje dr Fröhlich.

Badacz tłumaczy, że potwierdzenie współdziałania zasad Allena i Bergmanna u prawie wszystkich ptaków rzuca nowe światło również na ewolucję wielu gatunków ssaków. Przykładem mogą być żyrafy: choć to ogromne zwierzęta, zamieszkują ciepłe klimaty - dzięki temu, że w toku ewolucji wydłużyły peryferyjne części ciała, a więc szyję, nogi, przez które szybciej mogły oddawać nadmiar ciepła. Dr Fröhlich nie wyklucza, że współdziałanie tych zasad może także postawić w nowym świetle ewolucję naczelnych, w tym ludzi. "Na przykładzie zwierząt możemy nauczyć się czegoś o nas samych" - mówi naukowiec z IOP PAN.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ bar/