Glossophaga soricina, нектар летучей мыши, питающийся цветами бананового растения. Летучие мыши, питающиеся нектаром, были одним из трех эволюционных оптимумов для механического преимущества среди листоносов Нового Света.
Фотография предоставлена д-ром Бет Клэр, Университет Королевы Марии.«Ключевой вывод состоит в том, что в очень разнообразной группе — листоносых летучих мышей Нового Света — отбор по механическому преимуществу сформировал три различных оптимальных формы черепа, которые соответствуют нишам для кормления», — объясняет д-р Давалос. «Ключевой разработкой является инженерная модель очень сложной структуры — черепа, которая может трансформироваться как в известные, наблюдаемые черепа, так и в формы, которые не существуют, но, тем не менее, были бы биомеханически возможными. Это открывает дверь к будущим исследованиям с другими очень разнообразными группами ".Исследовательская группа исследовала адаптивную радиацию — взрывную эволюцию видов в новые экологические ниши, подпитываемые естественным отбором, — летучих мышей Нового Света.
Эти летучие мыши, которых насчитывается почти 200 видов, едят разнообразную пищу, включая насекомых, лягушек, ящериц, фрукты, нектар и даже кровь. Их черепа отражают разнообразие их диет — летучие мыши с длинными и узкими мордами едят нектар; Короткомордые летучие мыши имеют короткое широкое небо и едят твердые фрукты; морды видов, питающихся другой пищей, имеют промежуточную форму.Подход команды к определению естественного отбора для механической функции сочетал в себе эволюционный и инженерный анализ. Доктор Давалос и ее студенты из Университета Стоуни-Брук разработали эволюционные гипотезы, эволюционные деревья и тесты отбора, о которых сообщалось в исследовании; Доктора Дюмон и Гросс разработали инженерную модель.
Междисциплинарные усилия включали эволюционную биологию, биомеханику и машиностроение. Исследование частично финансировалось за счет грантов Национального научного фонда.Исследователи сначала построили трехмерную модель из конечных элементов для имитации черепов летучих мышей с бесчисленными комбинациями длины и ширины морды.
Визуальное сравнение форм микро-компьютерных томографов (светло-синий) и инженерных (темно-синий) моделей для базовой модели всеядной летучей мыши Carollia perspicillata (B) и морфированных моделей для питающихся нектаром Glossophaga soricina (A) и специализированный поедатель инжира Коротколицая летучая мышь Centurio senex (C).Затем они проанализировали модели, чтобы определить прочность конструкции и механическое преимущество — эффективность и твердость укуса летучих мышей. Наконец, они изучили инженерные результаты на сотнях эволюционных деревьев летучих мышей, чтобы выявить три оптимальные формы морды, которым благоприятствует естественный отбор.
Отбор отдавал предпочтение наивысшему механическому преимуществу короткомордых летучих мышей, что дает им большие силы укуса, необходимые для протыкания самого твердого инжира. У кормушек для нектара очень низкое механическое преимущество — недостаток в длинных и узких мордах, которые вписываются в цветы, в которых они находят нектар.Морфологическое разнообразие листоносов Нового Света с разными диетами. Нектар: А) Platalina genovensium, Б) Glossophaga soricina; универсалы: C) Carollia perspicillata, D) спектр Vampyrum; Плодоядные, питающиеся инжиром: E) Artibeus jamaicensis, F) Chiroderma villosum; и короткомордые летучие мыши: G) Phyllops falcatus, H) Centurio senex.
Череп не показан в масштабе.«Это означает, что даже несмотря на то, что эти летучие мыши расходились миллионы лет, мы все еще можем найти признаки естественного отбора в их нынешнем разнообразии», — говорит доктор Давалос. «Этого не удалось бы достичь, если бы не разработка инженерной модели, которая позволяет нам оценивать биомеханические характеристики очень разных летучих мышей.
Адаптация, сформированная естественным отбором, является ключевым механизмом, объясняющим разнообразие, но во многих случаях трудно найти «сигнатуры» отбора. Такая инженерная модель может пролить свет на многие другие адаптивные излучения и источник столь большого разнообразия на Земле ».Благодаря сочетанию гибкой инженерной модели с анализом, основанным на эволюционных деревьях, исследование открывает возможность обнаружения свидетельств отбора у других очень разнообразных организмов и реконструкции формы черепа у давно исчезнувших предков.
В настоящее время исследователи применяют эти модели, чтобы выяснить, почему определенные формы, выполнимые механически, не существуют. Они также применяют новые эволюционные модели, чтобы выяснить, могут ли эти ограничения возникнуть из-за естественного отбора, который не сосредоточен исключительно на биомеханике.Распределение гипотетических видов по длине и ширине морды.
Единственная модель была преобразована, чтобы представить виды в пределах всего пространства, чтобы рассчитать инженерные характеристики черепов различной формы.«Моя цель как ученого — раскрыть эволюционные силы, которые сформировали биоразнообразие», — говорит д-р Давалос. «Эта работа расширяет наши знания, показывая, что естественный отбор может порождать разнообразие.
Она также подчеркивает растущую роль эволюционных деревьев в проверке давних гипотез об адаптации, которые нельзя было проверить даже десять лет назад, и, конечно, не без инженерной модели».
