Z miłości do chrząszczy

John B.S. Haldane, brytyjski genetyk i biolog ewolucyjny, został kiedyś zapytany przez teologa o wnioski, jakie można wyciągnąć na temat Stwórcy badając przyrodę. „Musi mieć przesadny sentyment do chrząszczy”, odpowiedział ponoć Haldane. Choć prawdziwość tych słów nigdy nie została potwierdzona, chrząszcze od zawsze zajmowały szczyt piedestału niezwykłości biologii ewolucyjnej.

Jeden z moich zaprzyjaźnionych entomologów zwierzył mi się kiedyś, że za każdym razem wchodząc do hali mieszczącej kolekcję chrząszczy Muzeum Historii Naturalnej w Londynie czuje się, jakby wchodził do gigantycznej bombonierki pełnej lśniących czekoladek. Trudno oprzeć się takiemu skojarzeniu – precyzyjnie rozłożone w wielkich, wysłanych suknem gablotach chrząszcze lśnią jak zawinięte w wielokolorowe sreberka słodycze, we wszystkich możliwych kształtach, odcieniach i fakturach.

Mamy wśród nich miniwielbłądy, mamy gatunki stosujące mechanizmy wytwarzające kolor precyzyjniej niż dowolny stworzony przez człowieka pigment. Mamy też minireaktory biochemiczne z buzującą w nich mieszanką żrących chemikaliów, mamy wreszcie małe cuda molekularnej maszynerii produkujące światło wydajniej niż wszystkie wymyślone przez ludzkich inżynierów jarzeniówki. Wszystko to – i znacznie więcej – znajdziemy w tym niezwykłym rzędzie owadów. Dlaczego właśnie chrząszcze eksplodowały tak niesamowitą, nieprzebraną różnorodnością form i stylów życia na tle innych grup owadów, i zwierząt w ogóle?

Jedna czwarta stworzenia

Wylosujmy sobie dowolny organizm zwierzęcy. Jeśli zrobilibyśmy to używając (z żalem to przyznam – jeszcze nieistniejącej) hipotetycznej Księgi Wszystkich Gatunków Zwierząt, będziemy mieć jedną szansę na cztery, że wylosowane zwierzę będzie chrząszczem. Nasze szanse rosną jeszcze bardziej w terenie. Chrząszcze charakteryzują się z reguły większymi populacjami niż np. kręgowce – losując więc dowolny organizm zwierzęcy np. w lesie czy na łące potęgujemy wrażenie wszechobecności chrząszczy w przyrodzie.

Znamy obecnie około 400 tys. gatunków chrząszczy (dokładne wartości są trudne do oszacowania ze względu na problemy z określeniem precyzyjnej przynależności gatunkowej niektórych taksonów), co stanowi jedną czwartą opisanych gatunków zwierząt i prawie połowę znanych gatunków owadów.

Liczby zaczynają robić jeszcze większe wrażenie, jeśli pomyślimy o tym, ilu gatunków nie znamy. Po raz pierwszy takie ćwiczenie umysłowe wykonał na odpowiednią skalę w 1982 r. amerykański badacz owadów Terry L. Erwin, choć jego podejście było dość kontrowersyjne. Erwin założył, że deszczowy las tropikalny, jako biologiczny tygiel przewyższający pod kątem bioróżnorodności inne ekosystemy, powinien być najlepszym punktem wyjścia do dokonania oszacowań faktycznego bogactwa gatunkowego owadów – i życia w ogóle. Wybrał kilkanaście drzew gatunku typowego dla równikowego lasu deszczowego w Panamie, opryskał je dokładnie silnym środkiem owadobójczym, a następnie zebrał spadające z nich owady, katalogując i oznaczając pozyskane w ten sposób chrząszcze. W eksperymencie zidentyfikował prawie 1200 gatunków. Biorąc pod uwagę kilka faktów (niektóre chrząszcze żyją tylko na konkretnym gatunku drzewa) oraz liczbę znanych gatunków drzew w panamskich lasach i zakładając występowanie dwukrotnie większej liczby gatunków chrząszczy w koronach drzew niż w leśnej ściółce – Erwin stwierdził, że w tropikalnych lasach Panamy powinno żyć ponad osiem milionów drzewnych gatunków chrząszczy oraz przeszło 30,5 mln gatunków stawonogów.

Tymczasem jak dotąd naukowcy opisali i nazwali niespełna dwa miliony gatunków (wliczając zwierzęta, rośliny, jednokomórkowe glony i pierwotniaki oraz grzyby). Oszacowania Erwina szybko więc zaczęto podważać, wytykając mu szereg błędów, m.in. zignorowanie międzygatunkowego zróżnicowania w tym, do jakiego stopnia różne gatunki drzew „wychowują” sobie tylko wierne gatunki chrząszczy. W znacznie nowszej pracy, opublikowanej w 2015 r. przez zespół Nigela E. Storka, na podstawie danych ekologicznych i fizjologicznych dotyczących brytyjskich chrząszczy, całkowita liczba gatunków w rzędzie Coleoptera oszacowana została na ciągle imponującym poziomie 0,9–2 mln gatunków.

Ewolucyjny autostop

Co sprawiło, że chrząszcze w tak niezwykły sposób oparły się wszechobecnej sile wymierania? To ona, ścierając się z procesem wyodrębniania gatunków we wszystkich innych grupach zwierząt prowadzi do ograniczenia bogactwa gatunkowego. Odpowiedź na to pytanie może nie tylko zaspokoić czysto akademicką potrzebę wyjaśnienia procesu ewolucyjnego, który dał początek oszałamiającej menażerii chrząszczy. Odkrycie tajemnicy tej grupy owadów może również wspomóc badaczy w zdefiniowaniu zestawu cech i uwarunkowań biologicznych, które konkretnym grupom organizmów żywych zapewniają szczególną przewagę w nieustającym wyścigu rodzących się i wymierających gatunków. Tajemnicy, która w erze katastrofalnych zmian środowiska i spowodowanego przez człowieka masowego wymierania gatunków może nam pomóc przynajmniej niektóre z nich ocalić.

Zacznijmy od historii. Ostatnie badania umiejscawiają pierwsze udokumentowane gatunki chrząszczy około 300 milionów lat temu. Na przełomie jury i kredy chrząszcze brylowały na biologicznych salonach, osiągając największe taksonomiczne bogactwo od czasów swojego paleozoicznego początku. Po latach tłustych przyszła katastrofa kredowego wymierania (ok. 65 mln lat temu) – która z powierzchni ziemi starła niemal 90 proc. istniejących rodzajów chrząszczy. Szybko doszło też do odrodzenia – od początku kenozoiku liczba notowanych rodzajów chrząszczy szybuje ostro w górę i już dawno przekroczyła pięciokrotność rekordu z przełomu jury i kredy. Uważne spojrzenie na te notowania wskazuje jednak ciekawy trend, bardzo istotny dla wyjaśnienia szczególnej „eksplozywności” chrząszczowej różnorodności. Grupą chrząszczy szczególnie, wydawać by się mogło, uprzywilejowaną są gatunki roślinożerne. Ich liczba przyrasta znacznie szybciej niż w przypadku gatunków drapieżnych i saprofitycznych (żywiących się martwą materią organiczną). Bardzo ciekawa analiza tego niezwykłego trendu, opublikowana w 1998 r. przez Briana Farrella, wskazuje na intrygujące wyjaśnienie.

Farrell zbadał pary tzw. siostrzanych taksonów roślinożernych chrząszczy: takich, które powstawały przez rozdzielenie się jakiejś ewolucyjnej ścieżki na drzewie życia chrząszczy, by następnie niezależnie ewoluować niejako równolegle do siebie. Ciekawa zależność pojawiała się w przypadku takich par taksonów siostrzanych, gdzie jeden z nich tuż po oddzieleniu się od drugiego nabywał zdolności żerowania na roślinach okrytozalążkowych (są to rośliny powszechnie określane „kwiatami”, skrywające swoje zalążki głęboko w strukturach kwiatów właśnie – w odróżnieniu od roślin nagozalążkowych, takich jak np. drzewa iglaste, noszących swoje zalążki „nago” na wierzchu struktur budujących ich szyszki). Prawidłowość była uderzająca: w każdej takiej parze linia żerująca na roślinach okrytozalążkowych miała setki, a nawet tysiące razy większe liczebności gatunków.

Chrząszcze, ze swoim całym bogactwem, są więc swego rodzaju autostopowiczami podwożącymi swój ewolucyjny sukces na sukcesie innej bardzo „udanej” grupy organizmów.

Rośliny okrytozalążkowe są taką właśnie ewolucyjną success story: dzięki serii fizjologicznych i ekologicznych ulepszeń rozpoczęły one marsz przez wszystkie możliwe siedliska, strefy klimatyczne i style życia, dając początek nieprzebranemu bogactwu form, struktur – i wyzwań, jakie stawiają one próbującym na nich żerować organizmom. Chrząszcze roślinożerne, chcąc nie chcąc, musiały grać w tego ekologicznego berka, wciągane w coraz to nowe nisze ekologiczne i strategie życia przez – jak by na to nie patrzeć – swoje szybko ewoluujące źródło pożywienia.

Pędraki i upór

Ale ewolucyjny autostop to nie wszystko. Eksplozja różnorodności roślin kwiatowych była niewątpliwym paliwem ewolucji chrząszczy – jednak nie wszystkich. Mamy przecież masę gatunków zupełnie od roślin niezależnych, nawet w swojej zamierzchłej przeszłości niewywodzących się z taksonów roślinożernych. Inne cechy chrząszczowej biologii również musiały przyczynić się do ich oszałamiającego sukcesu.

Pewną wskazówką może być analiza tego, jak mają się obecnie „starożytne” rodziny chrząszczy, czyli grupy taksonomiczne mające swoje początki w odległej ewolucyjnej przeszłości tej grupy. Analiza taka przeprowadzona w dowolnej innej grupie zwierząt zawsze prowadzi do jednego wniosku: do czasów dzisiejszych dożywa jedynie niewielki procent istniejących niegdyś i opisanych w postaci skamieniałości rodzin taksonomicznych. Chrząszcze są inne: aż 63 proc. znanych obecnie rodzin chrząszczy występuje w zapisie kopalnym.

Co więcej, grupa chrząszczy najliczniejsza w gatunki, tzw. Polyphaga, nie utraciła w wyniku wymierania ani jednej notowanej w zapisie kopalnym rodziny! Przetrwały one nawet wielkie kredowe wymieranie, które zabiło dinozaury. Ta niezwykła odporność chrząszczy na wymieranie może wynikać m.in. z ich cyklu życiowego. Chrząszcze przychodzą na świat jako dość duże, mięsiste larwy zwane pędrakami. Są one nie tylko świetnie wyposażone i autonomiczne, ale przede wszystkim żyją z reguły w zupełnie innym środowisku i polegają na innych zasobach niż osobniki dorosłe. Takie rozdzielenie i dywersyfikacja zasobów potrzebnych do przeżycia w czasie cyklu życiowego znacznie zwiększają sukces osobnika, poprawiają jego odporność na drastyczne zmiany środowiska oraz pozwalają efektywniej eksplorować nowe nisze ekologiczne. Wszystkie te czynniki dały chrząszczom niespotykany gdzie indziej „ewolucyjny upór”, pozwalając im opierać się gatunkowym wymieraniom i budować bogactwo najcudowniejszej, najbardziej zróżnicowanej grupy organizmów znanych na ziemi.

Bombonierka w rękach dziecka

W swoich oszacowaniach gatunkowych, choć dziś podważonych i zastąpionych bardziej wiarygodnymi, Erwin nie mylił się co do jednego: tropikalne lasy równikowe faktycznie są tyglem kipiącym bioróżnorodnością i strategicznym bogactwem życia. Chrząszcze nie są tutaj wyjątkiem: jeśli marzysz o odkryciu nowego dla nauki gatunku – wybierz się w ostępy dżungli Panamy, Brazylii czy Hondurasu. Masz niemalże stuprocentowe szanse, że wśród chrząszczy spadających na twoją głowę z dowolnego uderzonego dłonią pnia drzewa będą gatunki nauce nieznane (inna sprawa, że jeśli nie jesteś entomologiem, prawdopodobnie nie będziesz w stanie odnaleźć tych jeszcze niepoznanych).

Jednocześnie, jak mało który ekosystem na ziemi, lasy tropikalne rozjeżdżane są przez ludzką działalność i chęć zagarnięcia możliwie dużej ilości ziemskich zasobów dla potrzeb naszego jednego gatunku. Robiąc to, w zasadzie unicestwiamy tę gigantyczną „bombonierkę ewolucji”, nie rozpakowując nawet kolejnych sreberek.

I możemy ją bezpowrotnie stracić, jeśli chrząszcze okażą się znacznie mniej odporne na wymieranie niekoniecznie „naturalne”, a bardziej „ludzkie”, spowodowane zachłanną gospodarką człowieka. Dotyczy to oczywiście wszystkich grup taksonomicznych na równi – ale w przypadku tej jednej strata byłaby wyjątkowo dotkliwa. ©

CHRZĄSZCZOWA MENAŻERIA

ŻUK BOMBARDIER (Brachinus sp.). Prawdziwy alchemik! W odwłoku mieści dwa pęcherzyki produkujące nadtlenek wodoru (składnik wody utlenionej i perhydrolu) oraz mieszaninę hydrochinonów. W razie niebezpieczeństwa pęcherzyki wstrzykują chemikalia do specjalnej komory, gdzie dochodzi do reakcji uwalniającej tlen i jednocześnie utleniającej hydrochinony. Powstaje buzująca ciecz o temperaturze prawie 100 stopni Celsjusza, którą bombardier spryskuje niczego niespodziewającego się wroga.

CHRZĄSZCZE BOGATKOWATE (Buprestidae). Ich pokrywy skrzydłowe bez pomocy jakiegokolwiek pigmentu produkują tak olśniewające kolory, że cała grupa zyskała sobie miano „chrząszczy-klejnotów”. Ich chitynowe pancerze zawierają wielowarstwowe komórki wypełnione cząsteczkami polimerów tworzącymi układ przypominający ciekły kryształ. W zależności od kąta padania światła rozpraszają one inne długości fali, tworząc obłędne, iryzujące palety barw.

ŚWIETLIK (Photinus pyralis). Końcówka odwłoka tego mistrza świetlnych pokazów zawiera dwie kluczowe warstwy komórek: warstwę odbiciową, działającą jak zestaw minizwierciadeł, oraz warstwę produkującą światło. Komórki tej drugiej przeprowadzają reakcję chemiczną, w której lucyferyna przy udziale tlenu, źródła energii (ATP) oraz enzymu lucyferazy produkuje chłodne, żółtozielone światło. Całość zaopatrzona jest w misterną sieć tchawek kontrolujących dopływ tlenu. Niektóre świetliki potrafią synchronizować swoje świecenie z innymi osobnikami, tworząc w sezonie rozrodczym monstrualne fale światła, pulsujące nocą pośród drzew.

„CHRZĄSZCZ STOJĄCY NA GŁOWIE” (Onymacris unguicularis). Maleńki mieszkaniec pustyni Namib, jednego z najsuchszych miejsc na ziemi, który bryluje w sztuce wyciskania wilgoci z pustynnego powietrza. Jego pancerz pokryty jest chitynowymi, hydrofobowymi wypustkami, które powodują skraplanie się pary wodnej w chłodzie pustynnego poranka. Mikroskopijne kropelki wody spływają następnie hydrofobowymi kanalikami pancerza wprost do otworu gębowego owada, gdy ten ustawia się głową w dół.

„CHRZĄSZCZ Z UCHWYTEM NA KARKU” (Eocorythoderus incredibilis). Ten kilkumilimetrowy jegomość jest jednym z najmniejszych chrząszczy na świecie. Żyje w gniazdach kambodżańskich termitów, żywiąc się hodowanymi przez te społeczne owady grzybami. Jest ślepy i pozbawiony skrzydeł. Prawdopodobnie oszukuje termity, zmuszając je do tolerowania swojej obecności w ich gnieździe. Termity wręcz pomagają mu, transportując go z miejsca na miejsce w gnieździe, trzymając za specjalny wyrostek tułowiowej części chitynowego pancerza. ©