Η ποικιλομορφία των σκαθαριών: Ένα μυστήριο της εξέλιξης

Αυτό το άρθρο παρουσιάστηκε αρχικά στο


Περιοδικό Knowable

.

Τα μάτια της Caroline Chaboo φωτίζονται όταν μιλά για σκαθάρια χελώνας. Όπως οι πολύτιμοι λίθοι, υπάρχουν σε μυριάδες φωτεινά χρώματα: γυαλιστερό μπλε, κόκκινο, πορτοκαλί, φυλλοπράσινο και διάφανο με χρυσό. Είναι μέλη μιας ομάδας 40.000 ειδών σκαθαριών, των Chrysomelidae, ενός από τους πιο πλούσιους σε είδη κλάδους της τεράστιας τάξης των σκαθαριών, των Coleoptera. «Έχετε τα λυχνάρια, τα μακροκέρατα και τα σκαθάρια σας», λέει. «Αυτό είναι πραγματικά το τρίο που κυριαρχεί στην ποικιλομορφία των σκαθαριών».

Εντομολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα, Λίνκολν,

Chaboo

έχει από καιρό αναρωτηθεί γιατί το βασίλειο της ζωής είναι τόσο λοξό προς τα σκαθάρια: Τα σκληροτράχηλα πλάσματα αποτελούν περίπου το ένα τέταρτο όλων των ζωικών ειδών. Πολλοί βιολόγοι αναρωτιούνται το ίδιο πράγμα, εδώ και πολύ καιρό. «Ο Δαρβίνος ήταν συλλέκτης σκαθαριών», σημειώνει ο Chaboo.

Από τα περίπου 1 εκατομμύριο ονομαζόμενα είδη εντόμων στη Γη, περίπου 400.000 είναι σκαθάρια. Και αυτά είναι μόνο τα σκαθάρια που περιγράφηκαν μέχρι τώρα. Οι επιστήμονες συνήθως περιγράφουν χιλιάδες νέα είδη κάθε χρόνο. Λοιπόν—γιατί τόσα πολλά είδη σκαθαριών; «Δεν γνωρίζουμε την ακριβή απάντηση», λέει ο Chaboo. Αλλά οι ενδείξεις προκύπτουν.

Μια υπόθεση είναι ότι υπάρχουν πολλά από αυτά επειδή υπάρχουν τόσο καιρό. «Τα σκαθάρια είναι ηλικίας 350 εκατομμυρίων ετών», λέει ο εξελικτικός βιολόγος και εντομολόγος

Duane McKenna

του Πανεπιστημίου του Μέμφις στο Τενεσί. Αυτός είναι ένας μεγάλος χρόνος κατά τον οποίο τα υπάρχοντα είδη μπορούν να ειδοποιηθούν ή να χωριστούν σε νέες, διακριτές γενετικές γενεές. Συγκριτικά, οι σύγχρονοι άνθρωποι υπάρχουν μόνο για περίπου 300.000 χρόνια.

Ωστόσο, μόνο και μόνο επειδή μια ομάδα ζώων είναι ηλικιωμένη δεν σημαίνει απαραίτητα ότι θα έχει περισσότερα είδη. Κάποιες πολύ παλιές ομάδες έχουν

πολύ λίγα είδη

. Τα ψάρια Coelacanth, για παράδειγμα, κολυμπούν στον ωκεανό για περίπου 360 εκατομμύρια χρόνια, φτάνοντας το μέγιστο περίπου 90 είδη και στη συνέχεια μειώνονται στα δύο είδη που είναι γνωστό ότι ζουν σήμερα. Ομοίως, το ερπετό που μοιάζει με σαύρα, το tuatara, είναι το μόνο ζωντανό μέλος μιας πάλαι ποτέ παγκόσμιας ποικιλόμορφης αρχαίας τάξης ερπετών που δημιουργήθηκε πριν από περίπου 250 εκατομμύρια χρόνια.

Μια άλλη πιθανή εξήγηση για το γιατί τα σκαθάρια είναι τόσο πλούσια σε είδη είναι ότι, εκτός από ηλικιωμένοι, έχουν και ασυνήθιστη ικανότητα διατήρησης. «Έχουν επιζήσει τουλάχιστον από δύο μαζικές εξαφανίσεις», λέει

Κριστιάν Μπέζα-Μπέζα

, μεταδιδακτορικός υπότροφος του Πανεπιστημίου της Μινεσότα. Πράγματι, μια μελέτη του 2015 που χρησιμοποιούσε απολιθωμένα σκαθάρια για να εξερευνήσει εξαφανίσεις ήδη από την Πέρμια πριν από 284 εκατομμύρια χρόνια κατέληξε στο συμπέρασμα ότι

έλλειψη εξαφάνισης

μπορεί να είναι τουλάχιστον εξίσου σημαντική με τη διαφοροποίηση για την εξήγηση της αφθονίας των ειδών σκαθαριών. Σε προηγούμενες εποχές, τουλάχιστον, τα σκαθάρια έχουν επιδείξει μια εντυπωσιακή ικανότητα να μετατοπίζουν το εύρος τους ως απόκριση στην κλιματική αλλαγή, και αυτό μπορεί να εξηγήσει την ανθεκτικότητά τους στην εξαφάνιση, υποθέτουν οι συγγραφείς.

Περιπλέκοντας το μυστήριο της ποικιλότητας των σκαθαριών είναι το γεγονός ότι ορισμένα κλαδιά του οικογενειακού δέντρου των σκαθαριών έχουν πολύ περισσότερα είδη από άλλα. Για παράδειγμα, τα σκαθάρια της κοπριάς, που περνούν τη ζωή τους κυλώντας επιδέξια φτιαγμένες μπάλες περιττωμάτων, έχουν μόνο μέτρια ποικιλία. «Αυτή η οικογένεια είναι περίπου 8.000 είδη, επομένως δεν είναι μια τεράστια ομάδα», λέει ο οικολόγος της κοινότητας



Χόρχε Άρι Νοριέγκα

στο Universidad El Bosque στη Μπογκοτά της Κολομβίας.

Αντίθετα, η Chrysomeloidea -μια υπεροικογένεια που περιέχει μακροκέρατα και σκαθαράκια φύλλων- περιλαμβάνει 63.000 είδη, ενώ η Brupestoidea, μια ομάδα μεταλλικών σκαθαριών από ξύλο και φύλλα, γνωστά και ως σκαθάρια κοσμημάτων για τα λαμπερά ιριδίζοντα χρώματά τους, περιλαμβάνει περίπου 15.000 είδη.

Αυτή η μεγάλη διακύμανση στον πλούτο των ειδών μεταξύ των γενεαλογιών σκαθαριών σημαίνει ότι «καμία εξήγηση δεν είναι πολύ καλή για καμία ομάδα», λέει ο McKenna. Ωστόσο, μεταξύ των φυτοφάγων σκαθαριών -που αποτελούν περίπου το ένα τέταρτο όλων των ειδών σκαθαριών- αναδύεται ένα σαφές μοτίβο. Με βάση γενετικές αναλύσεις διαφορετικών γενεαλογιών σκαθαριών, ο McKenna και οι συνεργάτες του βρήκαν στοιχεία ότι ένας σημαντικός παράγοντας που ώθησε την ποικιλότητα των σκαθαριών ήταν η

διαφοροποίηση των ανθοφόρων φυτών

κατά την Κρητιδική περίοδο.

Κατά την Κρητιδική περίοδο, η οποία ξεκίνησε πριν από περίπου 145 εκατομμύρια χρόνια, μια έκρηξη νέων ανθοφόρων φυτών εξαπλώθηκε στην επιφάνεια της Γης, αποικίζοντας πολλούς διαφορετικούς βιότοπους. Σήμερα, τα φυτά αποτελούν περίπου το 80 τοις εκατό της μάζας της ζωής της Γης. Η αξιοποίηση των φυτών στο έπακρο ως τροφή είναι μια οικολογική στρατηγική που έχει βοηθήσει στην τροφοδοσία της ακτινοβολίας όχι μόνο των σκαθαριών αλλά και των φυτοφάγων


είδη συμπεριλαμβανομένων των μυρμηγκιών, των μελισσών, των πτηνών και των θηλαστικών.

Στην περίπτωση των φυτοφάγων σκαθαριών, οι πιο πλούσιες σε είδη γενεαλογίες τους φέρουν μια συναρπαστική ποικιλία γονιδίων που επιτρέπουν την πέψη των φυτών, ανακάλυψε η McKenna. Πολλά από αυτά τα γονίδια κωδικοποιούν ένζυμα που βοηθούν στη διάσπαση των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών, επιτρέποντας την πρόσβαση σε σάκχαρα που είναι αποθηκευμένα σε δύσκολες ενώσεις όπως η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη και η πηκτίνη. «Οι γενεαλογίες που έχουν αυτά τα γονίδια ήταν εκείνες που είναι τόσο απίστευτα επιτυχημένες», λέει ο McKenna.

Αυτά τα γονίδια ήταν έξυπνες προσαρμογές που μετέτρεψαν τα δύσπεπτα μέρη των φυτών σε τροφή. Επέτρεψαν στα φυτοφάγα σκαθάρια να τρώνε περισσότερα και διαφορετικά είδη φυτών, τα οποία με τη σειρά τους επέτρεψαν στα έντομα να μετακινηθούν σε νέους βιότοπους και να καταλάβουν νέες οικολογικές θέσεις. Καθώς τα φυτοφάγα σκαθάρια εξαπλώθηκαν γεωγραφικά και υιοθέτησαν διαφορετικές δίαιτες και τρόπους ζωής, οι γενετικές διαφορές μεταξύ τους αυξάνονταν, με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων ειδών.

Για λόγους ασαφείς, ορισμένα είδη φυτοφάγων σκαθαριών έχασαν τα γονίδια που βοηθούσαν την πέψη καθώς εξελίχθηκαν, συμπεριλαμβανομένου ενός γονιδίου που κωδικοποιεί την πηκτινάση, ένα ένζυμο που επιτρέπει τη διάσπαση της πηκτίνης. Εξελικτικός οικολόγος

Χασάν Σαλέμ

στο Ινστιτούτο Βιολογίας Max Planck στο Tübingen της Γερμανίας, εξηγεί ότι για να αντισταθμίσουν, ορισμένα σκαθάρια εξέλιξαν μια διαφορετική στρατηγική για την κατανάλωση φυτών: Σφυρηλάτησαν σχέσεις με βακτηριακούς συντρόφους – που ονομάζονται συμβίωση – που επίσης βοηθούν την πέψη των φυτών.

Για ορισμένα σκαθάρια, αυτά τα ειδικά συμβιωτικά μικρόβια έγιναν ένα εναλλακτικό εργαλείο για τη διατήρηση των φυτών στο μενού, διευρύνοντας τον αριθμό των οικοτόπων όπου θα μπορούσαν να εξελιχθούν και να ευδοκιμήσουν νέα είδη. Για παράδειγμα, στη συντριπτική πλειονότητα των ειδών σκαθαριού φύλλων χελώνας, η ομάδα που μελετά το Salem, δεν είναι ένα γενετικά κωδικοποιημένο ένζυμο που διασπά την πηκτίνη, αλλά ένα βακτηριακό συμβίωση. Τα σκαθάρια παίρνουν τα βακτήρια από τις μητέρες τους: Κάθε φορά που ένα θηλυκό εναποθέτει ένα αυγό, αφήνει πίσω του και μια κάψουλα που περιέχει τα μικρόβια. Το έμβρυο του σκαθαριού της χελώνας αναπτύσσεται μέσα στο αυγό και στη συνέχεια τρυπώνει στην κάψουλα για να αφομοιώσει το συμβίωμα περίπου μια μέρα πριν αναδυθεί.

«Είναι το πρώτο πράγμα που συναντά στη ζωή… επομένως είναι μια πολύ οικεία σχέση», λέει ο Salem. Όταν ο Salem και η ομάδα του αφαίρεσαν πειραματικά τα μικροβιακά καψόνια από τις αναπτυσσόμενες προνύμφες, τα ενήλικα, χωρίς μικρόβια σκαθάρια που εμφανίζονται έχουν υψηλό ποσοστό θνησιμότητας επειδή δεν μπορούν να έχουν πρόσβαση στην πηκτίνη στο φυτικό κύτταρο.

Εκτός από το ότι τα φυτά διευκολύνουν την πέψη, ορισμένα μικρόβια που σχετίζονται με τα φυτά μπορεί να έχουν ανοίξει το δρόμο για τη διαφοροποίηση των σκαθαριών, επειδή παρέχουν στους σκαθάρια προστασία από τα αρπακτικά. Στο σκαθάρι των φύλλων της χελώνας

Chelymorpha alternans,

για παράδειγμα, ένας μύκητας που ονομάζεται

Φουζάριο

—που απαντάται συχνά σε καλλιέργειες όπως οι μπανάνες και οι γλυκοπατάτες—αναπτύσσεται στην επιφάνεια των χρυσαλλίδων σκαθαριών κατά τη διάρκεια της μεταμόρφωσης. «Έχουμε αποδείξει ότι αν αφαιρέσετε τον μύκητα, τότε τα μυρμήγκια τα βρίσκουν εύκολα και τρέφονται με αυτά», λέει.

Aileen Berasategui

εξελικτικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Ζωής και Περιβάλλοντος του Άμστερνταμ στην Ολλανδία.

Φουζάριο

με άλλα λόγια, μπορεί να προστατεύει τα σκαθάρια από επιβλαβείς θηρευτές, να επεκτείνει περαιτέρω την περιοχή των σκαθαριών και να επιτρέπει τη διαφοροποίηση.

Ο Berasategui προσθέτει ότι πολλά σκαθάρια φλοιού, όπως τα σκαθάρια της αμβροσίας, ωφελούνται επίσης από

Φουζάριο



μύκητες, αλλά με διαφορετικό τρόπο. Τα σκαθάρια μεταφέρουν τους μύκητες από δέντρο σε δέντρο σε εξειδικευμένες τσέπες που ονομάζονται μυκαγγία. Μόλις ξεκινήσει η μυκητιασική μόλυνση του δέντρου, τα σκαθάρια επιδίδονται σε μια γιορτή μυκήτων.

Η προσαρμογή για τη διεξαγωγή αυτού του είδους της γεωργίας – η σπορά σπορίων που θα αναπτυχθούν σε τροφή – βοήθησε επίσης τα είδη σκαθαριών να εκμεταλλευτούν νέους βιότοπους. «Από τη δική τους φωλιά, παίρνουν ένα μικρό κομμάτι και μετά… πετούν σε ένα νέο δέντρο όπου ξεκινούν τη δική τους φωλιά, σπέρνουν τον νέο μύκητα, δημιουργούν αυτόν τον νέο κήπο», λέει ο Berasategui. Ονομάζεται μυκητοκαλλιέργεια, η προσέγγιση έχει εξελιχθεί ανεξάρτητα σε σκαθάρια αμβροσίας επτά φορές. Η εξέλιξη των νέων ειδών σκαθαριών πιστεύεται ότι διαμορφώθηκε από αμοιβαία επωφελείς σχέσεις με αυτούς τους μύκητες – μέρος του

μια ιστορία 50 εκατομμυρίων ετών

στην οποία έντομα όπως τα μυρμήγκια, οι τερμίτες και τα σκαθάρια της αμβροσίας έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα σε εκτροφείς μύκητες, σύμφωνα με ένα άρθρο του 2005 που δημοσιεύτηκε στο

Ετήσια Επιθεώρηση Οικολογίας, Εξέλιξης και Συστηματικής

.

Τα φυτοφάγα σκαθάρια έχουν εξελίξει άλλες καινοτομίες που μπορεί να τους επέτρεψαν να ειδοποιηθούν περισσότερο από άλλες ομάδες σκαθαριών. Στα σκαθάρια των φύλλων που μελετά η Chaboo, για παράδειγμα, η εμφάνιση στο απολιθωμένο αρχείο αμυντικών ασπίδων κοπράνων που δημιουργήθηκαν από τις εκκρίσεις του ίδιου του σκαθαριού και το δέρμα που έχει αφαιρεθεί—«συμπίπτει με τεράστιες ακτινοβολίες ειδών», λέει. Οι περισσότεροι χρήστες της ασπίδας σκαθαριών είναι μοναχικά είδη, αλλά μερικά ζουν σε ομάδες, τοποθετώντας τους εαυτούς τους σε σχηματισμούς που τους προστατεύουν από τα αρπακτικά. Η προστασία της ασπίδας των κοπράνων μπορεί να βοήθησε τα σκαθάρια να μετακινηθούν σε πιο ανοιχτά ενδιαιτήματα, λέει ο Chaboo.

Είτε τρώνε φυτά είτε δειπνούν με άλλα τρόφιμα, όπως τα πτώματα, τα σκαθάρια από όλες τις ομάδες έχουν αναπτύξει μια εντυπωσιακή σειρά εργαλείων για την επίλυση πολλών διαφορετικών προβλημάτων. Υπό αυτή την έννοια, τα σκαθάρια είναι ένας μικρόκοσμος του δέντρου της ζωής, λέει ο McKenna.

Ωστόσο, όσο ανθεκτικά είναι τα σκαθάρια, δεν μπορούμε να θεωρούμε δεδομένη την επιβίωσή τους.

Οι πληθυσμοί των εντόμων μειώνονται

σε πολλά μέρη — «και, ναι, τα σκαθάρια είναι μέρος αυτού», λέει η Μπέζα-Μπέζα. Το πώς θα επιβιώσουν από τις επιπτώσεις των ανθρώπων είναι «ένα από τα βασικά ερωτήματα αυτή τη στιγμή», προσθέτει, αν και στοιχηματίζει ότι θα υπάρχουν σκαθάρια στη Γη «περισσότερο από ό,τι θα υπάρχουν άνθρωποι».

Με σκαθάρια σε επιστημονικά παζλ στα νησιά του ουρανού του δάσους της Κεντρικής Αμερικής όπου εργάζεται, ο Beza-Beza έχει ιδιαίτερη συγγένεια με

Ogyges politus

, ένα είδος σκαθαριού που ζει και τρέφεται με κορμούς που σαπίζουν. «Συμβαίνει μόνο στα βουνά δίπλα στην πόλη μου», λέει. «Μου θυμίζει λοιπόν από πού κατάγομαι… και ότι υπάρχουν αυτά τα κοσμήματα παντού».

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στο

Περιοδικό Knowable

, μια ανεξάρτητη δημοσιογραφική προσπάθεια από την Annual Reviews. Εγγραφείτε για το

ενημερωτικό δελτίο

.