Torbacze, ropuchy i ewolucja

Jakiś czas temu obiecałem że czasami pojawi się tu coś naukowego. No to jest. O Australii, bo tam się głównie będzie działo, o torbaczach (bo jak Australia, to muszą być torbacze), o ropuchach, których w Australii nie było ale już są i o ewolucji. I jeszcze parę dygresji o wężach też będzie.

W przyrodzie zwykle dzieje się tak, że jeśli jakieś organizmy koegzystują ze sobą przez długi czas, na przykład jako drapieżniki i ich ofiary, to jedne uczą się jak się bronić, a drugie jak skutecznie polować. W takim układzie następuje stały, powolny, biologiczny wyścig zbrojeń i w długiej perspektywie czasu status quo pozostaje zachowany. Mówiąc bardziej obrazowo – uczą się jak ze sobą żyć.

Zdarza się jednak, bardzo często z naszą pomocą, że jakiś organizm pokonuje barierę skutecznie oddzielającą go od innych takich ekosystemów. Wtedy albo ma pecha, bo nie jest w stanie sobie poradzić z lokalesami, albo ma farta i rozrabia jak chce. Tak na przykład stało się na Wyspie Guam na Pacyfiku, gdzie przypadkiem zawleczono węże z gatunku Boiga irregularis – nadrzewne, chętne do polowania na ptaki. Problem był taki, że lokalne, endemiczne ptactwo w życiu węża na oczy nie widziało, bo po prostu węży tam wcześniej nie było. W związku z tym pierzaste stworzenia nie wiedziały co to wąż i czy tego się trza bać, nie mówiąc o tym, jak się przed nim bronić. I boigi wyżarły jakieś 90% endemitów. Upppssss…

A jak jest z Australią? 

Cóż… Kontynent to szczególny, który od setek milionów lat kontaktu nie miał z innymi masami lądu. W związku z tym, wszystko co tam żyło, żyło sobie w oderwaniu od reszty świata i ewoluowało po swojemu. Stąd zachowała się tam między innymi unikalna fauna ssaków – torbaczy (Marsupialia) i stekowców (Monotremata). Trzecia linia ssaków (łożyskowce, czyli Placentalia) ewoluowała sobie gdzie indziej. Łożyskowce są niezłym wynalazkiem ewolucji – inteligentne, aktywne, płodne etc. i skutecznie wypierają z ich nisz ekologicznych torbacze i stekowce. Stąd linie te przetrwały (poza kilkoma wyjątkami z Ameryki) tylko w wolnej (do czasu) od łożyskowców Australii.

Australia była również wolna od niektórych grup płazów. Na przykład dysponujące silnymi toksynami ropuchy (Bufonidae) swoich przedstawicieli tam nie miały. A z tymi toksynami jest tak, że zwierzęta, które razem z ropuchami ewoluowały albo wykształciły awersję do takiego pożywienia albo odpowiednie szlaki metaboliczne, umożliwiające neutralizację trucizny. No ale ropucha, i to nie byle jaka, tylko Rhinella (=Bufo, Chaunus) marina, zwana po polsku ropuchą agą, w końcu pojawiła się w Australii.

Aga w Australii

Ropucha aga (Rhinella marina). Groźny intruz w australijskim ekosystemie. Photo by guppiecat on Trend hype / CC BY-NC-ND

W skrócie: miało być pięknie jak nigdy, wyszło jak zawsze: W niektórych rejonach Australii zaczęto uprawiać trzcinę cukrową. Niestety, zawleczono tam razem z sadzonkami chrząszcze, które nie mając naturalnych wrogów na miejscu zaczęły się mnożyć na potęgę i czynić szkody w uprawach trzciny. Antidotum na to miało być sprowadzenie ropuchy agi, która w naturze występuje tam, gdzie i owe chrząszcze. A że ropuchy w ogóle, a aga w szczególności są żarłoczne, to uznano, że raz-dwa opanują szkodnika. Nie opanowały, gdyż… larwy tych chrząszczy rozwijają się w ziemi a dorosłe łażą po łodygach i liściach tej nieszczęsnej trzciny. Ropucha łazi po ziemi więc okazji aby zapolować na szkodnika było mało.

Ropucha aga (Chaunus marinus). Photo by Jan Willem Broekema on Trend hype / CC BY-NC-ND

Dokładniej…

Pierwsze ropuchy w liczbie 101 sprowadzono z Hawajów (gdzie też płaz ten został introdukowany). Następnie rozpoczęto ich hodowlę i w ciągu dwóch lat wypuszczono na wolność w okolicy Gordonvale w Queensland ponad 60 000 ropuch. W kolejnych latach dorzucono kolejne. Płazy te bardzo łatwo zadomowiły się w nowym miejscu i dawaj się mnożyć i rozłazić. I zaczął się robić problem, gdyż aga jest bardzo toksyczna a lokalesi ani nie byli nauczeni unikać ropuch ani nie dysponowali szlakami metabolicznymi pozwalającymi im na neutralizację ich toksyn. A że płaz to płaz, a apetyt na żabie udka u niejednego miejscowego drapieżnika był, to nagle okazało się, że tam gdzie pojawiają się agi zaczynają zanikać niektóre węże, jaszczurki albo drapieżne torbacze. I jednocześnie coraz to znajdowano jakiegoś martwego warana, węża albo torbacza. A każdy trup miał w pysku lub brzuchu upolowaną ropuchę, która okazała się być dlań ostatnim posiłkiem.

Zdolność do kolonizacji nowych obszarów jest zresztą u agi fenomenalna. Ropuchy te bardzo szybko osiągają dojrzałość płciową. Samice składają jednorazowo nawet 30 000 jaj z których już po 3-4 dniach wykluwają się kijanki. Te po kilku tygodniach ulegają przeobrażeniu (czyli wyrastają im nogi, tracą ogon i wyłażą z wody). Bardzo dobrze znoszą wysokie temperatury (nawet woda nagrzana do 42°C nie jest dla nich problemem). Początkowo terytorium agi w Australii powiększało się o około 10 km/rok. Pod koniec lat 60 płazy te trochę przyspieszyły i na początku nowego millenium front inwazji przesuwał się już z prędkością około 50km/rok. Obecnie zajęły już prawie całą tropikalną część Australii, czyli wszystkie siedliska, gdzie miały szansę się utrzymać.

Wreszcie torbacze

Jednym z tych nieszczęsnych amatorów ropuch jest niełaz wielki (Dasyurus hacullatus). Niełazy są drapieżnikami polującymi głównie na drobne i średniej wielkości ofiary: większe owady, jaszczurki, węże, płazy i drobne ssaki. Niestety znaczna część populacji niełazów, które miały pecha znaleźć się w zasięgu inwazyjnej ropuchy agi wymarła. Na szczęście nie wszystkie spotkał ten los. Otóż w Queensland jest kilka populacji niełazów, które choć występują na terytorium zajętym przez ropuchy (i to już od około 70 lat), to nie wymarły. I nie stało się tak dla tego, że są odporne na działanie toksyn produkowanych przez agę (co już sprawdzili naukowcy). W grę wchodzą zatem inne niż metaboliczne mechanizmy zabezpieczające te zwierzęta przed ropuchami.

Niełaz plamisty
Niełaz wielki (Dasyurus hallucatus) jest jednym z gatunków zagrożonych wyginięciem na skutek inwazji ropuchy agi (Rhinella marina). Photo by pierre pouliquin on TrendHype / CC BY-NC

No i naukowcy postanowili sprawdzić jakie to czynniki zabezpieczają te szczęśliwe niełazy przed ropuchą. Bo a nóż uda się dzięki temu znaleźć sposób, aby te inne populacje, które wymierają, jakoś ochronić.

Dlaczego lokalesom tak trudno wchodzi do głowy nauka

Jeszcze jednym z problemów związanych z agą jest ten, że ona jest naprawdę solidnie trująca. W związku z tym trudno jest drapieżnikom nauczyć się unikania takiej zdobyczy. Gdyby była trochę mniej trująca mógłby pojawić się prosty mechanizm: zjadłem toto, źle się czułem, pewnie po tej ropusze, więcej tego paskudztwa nie tknę. W przypadku agi na powtórkę nie ma szans, ponieważ posiłek w którym jest ona głównym daniem jest zazwyczaj ostatnim w życiu. Więc po prostu szans na naukę brak.

OK. Nie zawsze jest tak źle. Są też gatunki nieco bardziej odporne na działanie toksyn tej ropuchy i nie zawsze umierające po posiłku. Część osobników wyciąga wnioski i w czasie kolejnego polowania ropuchom odpuszcza. Ba! Niektóre ptaki wyczaiły, że są części ropuch bardziej i mniej trujące i z upolowanego płaza wybierają tylko bezpieczniejsze kąski. Inne są na tyle duże (jak np. dorosłe krokodyle albo większe warany), że koncentracja toksyn jest za mała aby zabić, więc jakieś szanse na wyciągnięcie wniosków są. U niektórych pojawiły się mechanizmy zapobiegające pożeraniu ropuch wystarczająco dużych, żeby spowodować śmiertelne zatrucie. Tak stało się z niektórymi gatunkami węży, u których ewoluowały mniejsze głowy, a więc uniemożliwiające połknięcie dużej zdobyczy. Wreszcie u niektórych ewoluowały zmiany w zachowaniu dzięki czemu ropuchy zaczęły być ignorowane jako zdobycz.

Wróćmy do niełazów

Otóż w przypadku niełazów z populacji w których unikają one zatrucia ropuchami można spodziewać się, że albo nauczyły się unikać ropuch, albo jakiś inny mechanizm każe im je omijać. Już w latach 70 XX wieku wykazano, że niełazy mogą nauczyć się niejedzenia ropuch. Tyle, że były to wyniki eksperymentów prowadzonych w warunkach laboratoryjnych i niełazy nie miały możliwości zjedzenia porcji letalnej. Niestety, badania przeprowadzone w warunkach naturalnych przy użyciu radiotelemetrii oraz tzw, metody mark-recapture (złap-oznakuj-wypuść-złap ponownie) pokazały, że bardzo mała część niełazów ma szansę przetrwać pierwsze spotkanie z ropuchą jako zdobyczą. Czyli po prostu ten kontakt jest dla nich śmiertelny i szans na naukę nie ma.

Eksperyment

W nauce nic nie powinno być oparte na “wydaje mi się” tylko porządnie sprawdzone. Zatem, skoro biologom zaczęło się wydawać, że niełazy z populacji od dawna współegzystujących z ropuchą (a mimo to nie wymarłych, tak jak większość innych) raczej unikają ag, a niełazy z populacji do których ropuchy jeszcze nie dotarły nie unikają, postanowili to sprawdzić. W tym celu odłowiono kilkanaście niełazów z populacji “zaropuszonych” i 40 z terytoriów wolnych od ropuch. Dokładnie to te 40 pochodzi z wyspy będącej rezerwatem dla niełazów – zwierzęta te odłowiono i przeniesiono na wolną od ropuch wyspę jako “rezerwuar”, te które zostały, w większości wyginęły po nadejściu agi.

No i zwierzęta te dostawały martwą mysz oraz ropuchę (obie zabezpieczone siatką, żeby mimo wszystko niełaz nie zjadł czegoś co mu zaszkodzi). Reakcje na pokarm były nagrywane i następnie analizowane. Niełazy reagowały zwykle na trzy sposoby, następujące często jeden po drugim. Było więc obwąchiwanie, drapanie i gryzienie zdobyczy.

I co wyszło?

Okazało się, że niełazy z populacji “zaropuszonej” poświęcają ropuchom znacznie mniej czasu niż myszom (średnio 33 sekundy na ropuchę i prawie 4 minuty na mysz). Natomiast te z populacji bez ropuch poświęcały im przeciętnie około 2 minut i podobnie 4 minuty myszom. Co więcej, obie grupy różniły się nie tylko czasem jaki poświęcały oferowanym myszom i ropuchom, ale też tym, co chciały z nimi zrobić. Znowu, pierwsza grupa głównie obwąchiwała ropuchy bardzo rzadko podejmując próbę ich gryzienia (dokładnie, tylko jeden z 18 niełazów z populacji zaropuszonej chciał ugryźć ropuchę), podczas gdy druga była bardziej skłonna je od razu gryźć lub drapać niż obwąchiwać. Z kolei próby capnięcia myszy były znacznie częstsze niż ich obwąchiwania w obu grupach.

Na marginesie dodam, że niełazy potrafią się uczyć. W trakcie eksperymentu dość szybko połapały się, że i myszy i ropuchy są tak sprytnie zabezpieczone przed zjedzeniem, że już w drugiej próbie zaczynały badaczy (a dokładnie oferowane gryzonie i płazy) olewać. Dodam też, że nie były w trakcie doświadczenia głodzone i po próbie z ropuchą i myszą dostawały porządnie jeść.

No to teraz troszeczkę zaczniemy komplikować

Czemu jedne niełazy nie chcą polować na ropuchy a inne tak? Te z populacji “zaropuszonych” mogły się tego nauczyć. Tylko, jak wspomniałem, szanse skutecznej nauki są znikome, skoro kontakt z ropuchą jako posiłkiem bywa śmiertelny. Załóżmy jednak, że w jakiś sposób nauczyły się unikania ropuch. Taką naukę mogą nabyć na dwa sposoby – albo poprzez własne doświadczenie (ale to mało prawdopodobne), albo ucząc się od innych osobników, np. od swoich rodziców. Tak czy inaczej taka “wiedza” (nie jedz ropuchy!) musiałaby być jakoś przekazywana wśród niełazów w danej populacji.

Jest też możliwe, że takie zachowanie (unikaj ropuch) jest warunkowane genetycznie a nie kulturowo. Tak jest z niektórymi wężami, u których przecież opieka rodzicielska nie występuje, a niektóre osobniki po prostu nie chcą jeść ropuch, nawet, jeśli nie miały z nimi wcześniej kontaktu. My też różnimy się “smakami” i choć znaczna część naszych preferencji wydaje się mieć podłoże kulturowe (coś smakuje nam bo jesteśmy do tego przyzwyczajeni od dzieciństwa) tą są też takie, które prawdopodobnie mają podłoże genetyczne.

W tym drugim przypadku, gdyby w grę wchodziło nie uczenie się a czynniki dziedziczne (geny lubienia/nielubienia płazów), przy tak silnej presji selekcyjnej (zjedzenie ropuchy=śmierć), mielibyśmy do czynienia z ciekawym przykładem szybkiej ewolucji. Niezależnie jednak od tego, czy jest to kwestia uczenia się czy genów, poznanie mechanizmów stojących za zmianą behawioru i jego rozprzestrzenianiem się w populacji może okazać się ważnym narzędziem służącym ochronie niełazów.

No to geny czy intelekt?

Aby odpowiedzieć na to pytanie naukowcy rozpoczęli kolejny eksperyment. Pamiętacie jak w szkole katowano nas Grzegorzem Mendlem i jego doświadczeniami z grochem? Tym razem było podobnie, czyli zaczęto krzyżować niełazy unikające ropuch z tymi z populacji, która jest chętna do jedzenia tych płazów.

Okazało się, że potomstwo z par mieszanych (czyli jeden rodzic jedzący ropuchy a drugi unikający) zachowuje się tak jak młode pochodzące od pary, w której oboje rodzice unikają ropuch. A to oznacza dwie rzeczy! Po pierwsze awersja do ropuch jest warunkowana genetycznie a nie wynika z nauczenia się od innych osobników. Po drugie, gen (lub geny) warunkujące unikanie ropuch jest dominujący, a więc ujawnia się w fenotypie heterozygot. Wniosek jest więc taki, że niełazy z populacji w ropuchoodpornych nie są mądrzejsze od innych, tylko zawdzięczają to genom.

Zapewne taka cecha jaką jest unikanie (nielubienie) płazów była stosunkowo rzadka wśród niełazów. W efekcie większość populacji, które znalazły się na terytorium zajętym przez agę wymarła (wg. danych EPBC spotkało to 95% lokalnych populacji). W kilku, w których cecha ta była obecna  zdominowała populacje dzięki silnemu działaniu doboru naturalnego, czyniąc je tym samym odpornymi na inwazję ropuch.

No i co z tego?

OK, takie badania są fajne. Fajnie wiedzieć coś nowego. Ale, czy wynika z tego, poza czystą wiedzą, coś użytecznego?

Badacze twierdzą, że tak. Bowiem mając osobniki niosące geny “awersji do ropuch” można rozpocząć działania prowadzące do celowego przepływu genów. Czyli inaczej mówiąc, zasilić narażone populacje niełazami unikającymi ropuch. Oczywiście, nie jest to bezproblemowe działanie. Choćby dla tego, że takie geny mogą słabo rozprzestrzeniać się w populacji jeszcze nie wystawionej na ropuchę (brak selekcji). Po drugie, wymaga zasilania odpowiednio dużą liczbą niełazów niejedzących ropuch. Po trzecie, zaburza się w ten sposób naturalne zróżnicowanie między populacyjne. Ale biorąc pod uwagę, że ponad 90% populacji stykających się z agą wymiera, gra może być warta świeczki.

Nawiasem mówiąc – Jest to kolejny przykład tego, jak ważne jest zachowanie różnorodności biologicznej. Gdyby populacje niełazów były bardziej jednolite, szanse na to, że będą akurat ropucho-odporne byłyby małe. Wszak zaledwie 5% populacji przetrwało inwazję ropuch. Sytuacja w których funkcjonuje wiele różniących się od siebie populacji zwiększa szanse na to, że w przypadku epidemii lub innych nagłych zagrożeń (jak choć pojawienie się gatunku inwazyjnego) któraś z nich będzie mogła przetrwać. A biorąc pod uwagę to, że rośliny, które uprawiamy (zboża, byliny etc.) to przecież nic innego jak udomowione “chwasty”, zachowanie ich dzikich i niecywilizowanych antenatów powinno leżeć również w naszym prywatnym, egoistycznym interesie.

No i jeszcze kilka słów na koniec w ramach morału

Ekosystem stanowią bardzo skomplikowany system wzajemnych oddziaływań między poszczególnymi organizmami i ich środowiskiem. Niektóre z nich są bardziej inne mniej wrażliwe na zakłócenia. Przypadek łańcucha zmian jaki zapoczątkowała inwazja agi w Australii niesie ze sobą bardzo trudne do przewidzenia konsekwencje. Jej pojawienie się wpłynęło w bardzo poważny sposób na szereg międzygatunkowych interakcji. Na przykład, wyginęło (lub w dramatyczny sposób zmniejszyło swoją liczebność) wiele grup drapieżników. W efekcie wiele innych gatunków “straciło” swojego drapieżnika. Jaki może to mieć dla nich skutek? Choćby taki, że z populacji nie będą sprawnie eliminowane osobniki chore i słabe co może bardzo negatywnie wpłynąć na jej stan.

Albo zwierzęta “pozbawione” kontroli drapieżników gwałtownie zwiększą swoją liczebność. Fajnie, ale one też coś jedzą. W efekcie ich “sukces” może odbić się negatywnie na innej grupie organizmów.

Ropuchy, zaliczające swój super sukces inwazyjny, nie tylko śmiertelnie zatruwają potencjalnych amatorów ropuszyny. Same też coś jedzą, a apetyt mają imponujący: jedzą dosłownie wszystko co się rusza i da połknąć (bezkręgowce, małe ssaki, inne płazy, jaszczurki, węże, pisklęta ptaków gniazdujących na ziemi), a bywa, że żerują też na padlinie. Ich kijanki w zbiornikach wodnych konkurują z kijankami innych gatunków płazów. Więc jedzenia dla tych rodzimych też ubywa.

Niestety, większość z takich interakcji w obrębie poszczególnych ekosystemów i siła ich wzajemnych powiązań jest w dalszym ciągu słabo poznana. W przypadku inwazji agi rozpracowywane są na razie te najbardziej drastyczne i ewidentne. To co już wiemy, każe z niepokojem patrzeć w przyszłość, choć w kilku przypadkach pojawia się cień nadziei na minimalizację strat.

Więcej w:

Kelly E., Phillips B. L. 2017: Get smart: native mammale develops toad-smart behavior in response to ta toxic invader. Behavioral Ecology 28: 854-858.

Kelly R., Phillips B. L. (w druku): Targeted gene flow and rapid adaptation in an endangered marsupial. Conservation Biology

Ecologists try to speed up evolution to save Australian marsupial from toxic toad.

Borczyk B. 2007: Jak gatunki inwazyjne wpływają na lokalną faunę? Przykład agi i australijskich węży. Przegląd Zoologiczny (51): 111-121.

Zdjęcie tytułowe: Photo by pierre pouliquin on TrendHype / CC BY-NC