Historie hmyzu sahá hluboko do minulosti

Ve své knize „Superflies. Úžasné příběhy ze života nejúspěšnějšího hmyzu na světě,“ vysvětluje britský biolog Jonathan Balcombe, jak důležitou roli hrají dvoukřídlí v ekosystému a jak dosáhli evolučního úspěchu. Autor říká, že svět much je úžasný a mnohostranný: jsou to nezaslouženě zapomenutí opylovači, pracovití ekologové zodpovědní za odvoz odpadků a také hlavní asistenti kriminalistů. Se svolením nakladatelství Vedomosti.Gorod zveřejňuje úryvek o tom, zda jsou myšlenkové pochody přístupné mouchám?

Většina výzkumu života much se zaměřila na ovocné mušky. A už vůbec ne proto, že by ovocné mušky byly obzvlášť chytré, jsou to prostě nejstudovanější zvířata na Zemi. Výhody ovocných mušek spočívají v tom, že se snadno a levně množí a chovají v zajetí a že žijí pouze dva týdny, a proto jsou vhodné pro použití v genetickém výzkumu, jak uvidíme v kapitole deváté. Opět bychom měli být opatrní při předpokladu, že mentální úspěchy jednoho druhu much jsou charakteristické pro ostatní. Schopnosti ovocných mušek však přesto naznačují, že ostatní mušky dokážou totéž.

Lidský mozek a mozek mouchy se velmi liší velikostí: 100 miliard neuronů ve srovnání se 135 000 vrtulemi, ale existují určité organizační podobnosti. Například mozek mouchy, stejně jako ten náš, je z velké části rozdělen podél střední čáry a molekuly a procesy, které řídí mouchu a lidský mozek, jsou podobné. Stejně jako u lidí je stimulace centrálního nervového systému u much řízena dopaminem a serotoninem. Stejně jako ten náš je mozek mouchy zodpovědný za prostorové vnímání, které je pro létající zvíře nesmírně důležité. U vrtule je tato schopnost určena oblastí mozku zvanou centrální tělo, jehož funkčním ekvivalentem v mozku savců je colliculus superior.

Už jsme viděli, že ovocné mušky jsou vynalézavá stvoření, která se vyrovnávají se složitými problémy, i když jde o útěk z pasti malou dírkou ve filmu. Čeho dalšího je jejich mozek schopen? Ovocné mušky lze snadno vycvičit, aby si spojily zápach s elektrickým šokem a ukázaly krátkodobou, střednědobou a dlouhodobou paměť této zkušenosti, když byly později testovány na vnímání nepříjemného nebo odlišného zápachu v kombinaci s absencí elektrického šoku. Tyto vzpomínky přetrvávají i poté, co se moucha probudí z celkové anestezie a když nové nervové buňky nahradí staré. Kromě toho jsou ovocné mušky zručné v soustředění pozornosti, projevují očekávání opakovaného vizuálního podnětu (černý symbol nakreslený na vnitřní straně rotujícího bubnu s upoutanou mouchou létající uvnitř), snížení zájmu, když se podnět monotónně opakuje a obnovená pozornost, když se změní (např. původní znak je nahrazen novým). Dalším znakem pozornosti je tendence much potlačovat a ignorovat konkurenční podněty; moucha je méně pravděpodobné, že si všimne, řekněme, další mouchy poblíž, zatímco je fixována na nový symbol na cívce.

A mouchy spí. Když se vědci z lékařské fakulty Washingtonské univerzity v St. Louis jednoho rána podívali na jejich kolonii ovocných mušek v laboratoři, zdálo se jim, že všechen hmyz uhynul. Když ale vědci poklepali na sklo, mouchy se postupně probudily. Jen spali. Evoluční biolog Bruno van Swinderen z University of Queensland zaznamenal mozkovou aktivitu ovocných mušek a jejich reakce na mechanické podněty a zjistil, že stejně jako vy a já mají mouchy lehčí a hlubší fáze spánku. Jejich potřeba spánku se zvyšuje, pokud spí málo; Pokud je mozek much během dne přetěžován trénováním, vyžadují hlubší spánek v noci.

Probuzené mouchy demonstrují schopnost racionálního rozhodování. Pozorováním páření 2700 ovocných mušek vědci z University of British Columbia zjistili, že samci byli velmi zběhlí ve výběru samic, které by mohly produkovat nejvíce potomků. Navíc se jim podařilo vybrat z deseti potenciálních samic. Analýza velkého souboru dat ukazuje, že mouchy používají tranzitivní racionalitu; to znamená, že pokud je A větší než B a B je větší než C, vědí, že A je větší než C.

Mozek vykazuje zvýšenou nervovou aktivitu, když je zvíře nějakým způsobem obsazeno. Pokud jsou mouchy při vědomí, uvidíme tuto mozkovou aktivitu? Aby to mohli zkoumat, provedli vědci z Kalifornské univerzity v San Diegu operaci na hlavách samců ovocných mušek. V narkóze odstranili maličký kousek vrchní části mušle a nalepili na drobný průhledný panel. Poté, co dali mouchám den na zotavení, je vědci přivázali na tenké provázky a pomocí laseru a tříkamerového zařízení, které se otáčely s mouchami, byli schopni sledovat elektrickou aktivitu mozku během námluv. Zatímco uvázané mouchy se samičkám nedvořily (nemohly?), nepřipoutané ano. Mozek těch prvních zůstal téměř úplně tmavý, zatímco mozky těch druhých zářily červeně, žlutě, modře a bíle. Tato studie nám neumožňuje skutečně porozumět tomu, co moucha prožívá, ale ukazuje, že aktivní mozek mouchy funguje koordinovaně. Pro mě je to spíš vědomí.

Nechci říct, že námluvy a výběr jsou pro samce ovocných mušek jedinečné. Další studie výběru partnera prokázala pozorovací učení u žen. Když samice much pozorovaly uměle zbarvené samce pokoušející se pářit se s jinou samicí, vybíraly samce na základě jejich úspěchu či neúspěchu. Například, pokud se zelený samec úspěšně spářil se samicí, ale růžový samec ne (výzkumníci věděli, že je imunní), pak když byla pozorující samičce později předložen zelený a růžový samec, vybrala by si zeleného jako její partner. Při změně barev dala samice přednost růžové. Samice, které přímo nepozorovaly výsledky páření barevných samců, takovou diskriminaci nevykazovaly. V dalším experimentu byly samice ovlivněny jinými samicemi v kolonii a vybraly si samce ve špatné fyzické kondici před zdravějšími samci, protože viděli, že samice, které byly ukázány jako model, si vybíraly tyto samce. Tyto výsledky naznačují, že ovocné mušky jsou více ovlivněny sociálními faktory než vlastním úsudkem. Tento druh „kopírování výběru partnera“, ve kterém vnímaná atraktivita partnerů závisí na názorech ostatních, je rozšířený ve zvířecí říši, včetně žen. “Vezmu si, co vzala ona!”

Často z dobrého důvodu mají vědci tendenci vyhýbat se antropomorfismu nebo připisování lidských vlastností zvířatům. Americký etolog Donald Griffin (1915–2003) však v knihách o životě zvířat píše zásadně nové věci a nabádá nás k opatrnosti při antropocentrickém srovnávání lidí a hmyzu. “Jak můžeme znát požadovanou velikost [mozku] pro vědomé myšlení?” ptá se Griffin v The Question of Animal Awareness, vydaném v roce 1981. Počet neuronů u mouchy může být zanedbatelný ve srovnání s lidským mozkem, ale 100 000 nebo více je stále poměrně velké číslo, se kterým lze pracovat. Navíc 100 000 neuronů má mezi sebou mnohem více potenciálních spojení, než je na Zemi zrnka písku. Už jsme viděli, že zvířata dokážou opravdu úžasné věci. Navíc, i když hmyz a obratlovci nesdílejí společného myslícího předka, užitečný atribut, jako je vědomí, se může vyvinout více než jednou. Pokud je to možné u chobotnice, tak proč je hmyz horší?

Povídání o evoluci hmyzu Kandidát biologických věd, vědecký pracovník Laboratoře paleoentomologie Paleontologického ústavu Ruské akademie věd Kirill Eskov.

– Fosilní hmyz slouží vědcům jako jakési indikátory jiných druhů, které se vůbec nedochovaly. Například nevíme, kdy se suchozemští měkkýši objevili – ve fosilních záznamech jsou špatně zachováni. Podle obecných podmínek by se měly objevit v období jury (před 206 – 142 miliony let), ale nestalo se tak.

Ale v období jury existuje nádherná skupina střevlíků – najdeme je v takové klasické lokalitě Karatau – tito střevlíci se stále věnují lovu suchozemských měkkýšů a mají velmi specifickou stavbu čelistí: čelisti jsou silně zkosené a střevlíci je používají k otevírání tenkých schránek měkkýšů, jako v plechovce s nožem. Proto, když najdeme střevlíky s takovými čelistmi, můžeme se slušnou mírou jistoty říci, že v té době již zřejmě existovali měkkýši. Takových případů, kdy lze na základě složení hmyzí fauny učinit závěr o mnoha zvířatech a rostlinách, které v paleontologickém záznamu nevidíme, je poměrně dost.

– Víme, že hmyz ne vždy uměl létat. Jak získali křídla?

– To je víceméně pochopitelné, objevují se první paranotálie, tedy první výrůstky na hrudi, které umožňovaly klouzání. To umožňuje nedravým skupinám, které žily v baldachýnech, vyhýbat se predátorům – především pavoukům a dravým labiopodům, kteří je lovili. Skok z jedné větve na druhou, který vám umožní uniknout predátorovi, je pochopitelné, proč k němu dochází. Ale obyvatelé korun stromů, stejně jako obyvatelé půd, jsou v paleontologickém záznamu zaznamenáni velmi špatně. Můžeme ale říci, že primární bezkřídlé vznikly v období karbonu. To jsou štíři, pavoukovci. To je uprostřed období karbonu, asi před 320 miliony let.

– Lišil se první okřídlený hmyz od moderního?

– Ano, jsou to zcela vyhynulé řády, například Paleodictyopterida, jsou považovány za příbuzné se současnými jepicemi, ve kterých larva žije ve vodě, a pak dojde k hromadnému vynoření a několik hodin se tito jemní tvorové třepotají nad řekami a rybníky. Po vylétnutí se rozmnoží, nakladou vajíčka a poté hynou, kromě rozkladu neplní žádnou jinou funkci. Tento hmyz žije jako larva a larvy jsou v některých skupinách trvalé. To znamená, že celý svůj život stráví jako larva ve vodě a pak se vynoří.

Jepice (Ephemeroptera) je jediným moderním řádem, který zachovává tzv. imaginární líny. Imago je dospělý hmyz. Existuje larva, která několikrát líná a nakonec se objeví jako dospělý hmyz schopný reprodukce. Dospělý hmyz nikdy nelíná. Někdy prochází stavem kukly, to je klidová fáze, která umožňuje velmi odlišit imago a larvu, jako je motýl a housenka. Co mají společného? Nic. To umožňuje motýlovi a housence obsadit zcela odlišné ekologické niky, takže imago nekonkuruje své larvě. Komplexní přestavba vyžaduje klidovou fázi, kdy dochází k úplnému rozpadu tkáně – pomyslná proměna hmyzu je prostě bioinženýrská báseň. Nyní existuje pouze jedna skupina, která zachovává imaginární línání, ve kterých imago pokračuje v línání, ve kterém je křídlo živé. Faktem je, že veškerý hmyz má mrtvé křídlo a žádnou živou tkáň v něm. Kryt se skládá z živých buněk, ale uvnitř křídla nic není. Takové křídlo se nemůže zbavit. Hmyzí křídlo se provádí najednou.

A je tu jepice – to je jediná skupina, která zadržuje živou tkáň uvnitř křídla a může línat, ale ve skutečnosti na tom není nic dobrého, protože křídlo je těžké. Proto má jepice třepotavý let, na který se, jak se říká, nelze dívat bez slz. Starověký hmyz má křídla jako jepice – primitivní křídla s živou tkání uvnitř. Přesně tady to všechno začalo. Když se objevil první hmyz, byl velmi odlišný od současného, ​​jsou to vyhynulé řády, z nichž nic nezbylo.

– Dnes existuje teorie, podle níž hmyz podle molekulárně genetických údajů vznikl z ploutvonožců.

– Podle obecněji přijímané teorie se předpokládalo, že se hmyz vyvinul z labiopodů – z chilapodů. Navíc embryologické mechanismy, kterými k tomu dochází, jsou ještě více či méně jasné. A druhá verze ve skutečnosti naznačuje, že hmyz pochází z raků. Ale tato verze byla považována za okrajovou. A nyní, právě v souvislosti s novými molekulárními daty, vyvstal zájem o teorii korýšů. Faktem ale je, že verze korýšů je bohužel v paleontologických záznamech špatně podpořena. Rakoviny a přechodné formy, protože by měly být velmi dobře zachovány ve fosilních záznamech. Z hlediska této teorie je mnohem obtížnější vysvětlit absenci přechodných forem.

– Jak se hmyz dále vyvíjel, když dostal křídla?

– Hmyz se téměř okamžitě rozdělí na dvě větve, které mají zásadně odlišné strategie. Jedná se o hmyz s úplnou přeměnou a hmyz s neúplnou přeměnou. Podívejte se na švába nebo kobylku, podívejte se na malé klisničky, které skáčou na louce, a některé z nich jsou bez křídel. Rostou a stávají se stále více jako dospělý hmyz, procházejí řadou postupných línání a nakonec se stanou dospělými. Hmyz s neúplnou metamorfózou nemá stádium kukly. Druhá skupina je skupina, která má larvu zásadně odlišnou od dospělce. To poskytuje řadu výhod pro životní prostředí, ale přináší řadu omezení. Začíná to tím, že se objeví skupiny, které mají velmi slabý let, jako současné jepice, a pak se najednou v určitém okamžiku objeví vážky.

Vážka je v tomto bodě vlastně absolutní zbraní. Vše, na co jí padne zrak, dohání a bez problémů sežere. Jako první se objevují nejprimitivnější vážky. Ale jsou primitivní, ale přesto je jejich let mnohem lepší než let všech ostatních. V zásadě se taková situace v historii různých skupin zvířat vyvinula několikrát, když se objeví druh s absolutní zbraní a spustí úžasné procesy.

Dravá vážka může dostat všechno. A v tuto chvíli jsou k útěku dvě strategie, které jsou vlastně okamžitě implementovány, a odtud pocházejí dvě velké evoluční skupiny hmyzu, které jsou pak zachovány.

– Řekněte nám o takovém fenoménu, jakým je společenský hmyz.

– Pozoruhodné paralelismy se několikrát objevily v evoluci hmyzu, kdy byla stejná strategie implementována v různých skupinách, systematicky odlišných a vzdálených od sebe. Klasickým příkladem je výskyt sociálního hmyzu. Zde je třeba definovat, co je sociální zvíře, společenský hmyz. Existují například sociální pavouci a pavouci, kteří mají velmi komplexní strategii. Vytvářejí jednotnou síť. Když se hmyz chytí do této sítě, je proveden kolektivní útok. Když „převalí“ hmyz, mají vše společné, prakticky jako mravenci. Víte, že mravenci mají trafalaxis, mravenci jsou schopni sdílet potravu mezi sebou, předávají si potravu řetězem. Snědl, poté část jídla vyvracel sousedovi, soused může vyvracet část jídla jinému sousedovi a proto se jakákoliv část jídla rozptýlí po mraveništi. U pavouků existují analogy této trafalaxis. To znamená, že společně napumpují svými trávicími sekrety právě tento hmyz a pak se krmí a mohou se živit i další pavouci, kteří se útoku přímo nezúčastnili.

Toto je velmi složité chování. Existuje dokonce určitá specializace. Ale zároveň pavouci nejsou společenská zvířata – nevyvinuli skutečnou socialitu. Sociální hmyz se dělí na kasty – chovné a nemnožící. Některé chovají, zatímco jiné je chrání a slouží jim. To je skutečná socialita, jinak je to druh komuny. Pavouci mohou být rozptýleni a mohou existovat sami. Ale izolovaný mravenec nemůže existovat. Sociální hmyz zahrnuje sociální blanokřídlé včely, vosy, mravence a termity.

Na jedné straně jsou termiti a na jedné straně kudlanky, obě jsou vysoce specializované skupiny švábů.

Navíc se ví, ze kterých rodin pocházejí, jakými přechodnými formami se vyvíjejí – kde je na jednom konci šváb, na druhém termit a na druhém kudlanka nábožná. Někteří se specializují na směr predace – jde o kudlanky, jiní se specializují na požírání nepoživatelných kusů dřeva, což vyžaduje složitou symbiózu s dřevokaznými bičíkovci a složitou biochemii. Toto je další skupina specializovaných švábů. Termiti a kudlanky jsou dva z nejmladších řádů hmyzu, které se vyvinuly před více než sto miliony let. Ve dvou zcela nepříbuzných skupinách se objevují identické strategie a vyvíjejí se na zcela odlišném základě. Sociální blanokřídlí mají genetický mechanismus pro určování pohlaví. Rozdíl mezi trubci a včelími dělnicemi je dán geneticky. Termiti jsou úplně jiní. Jsou geneticky identické, ale larvy jsou krmeny odlišně. V důsledku toho se tvoří různé hladiny hormonů. Proto, zhruba řečeno, všechny larvy jsou prostě stvoření, asexuální prázdná místa.

V zásadě se dá za nějakých katastrofálních okolností naučit množit. Navíc u termitů jsou samci i samice dělnicemi, zatímco u membránových termitů jsou dělnicemi pouze samice.

To jsou principiálně odlišné mechanismy. Ale oba rozvíjejí společenskost téměř současně. Proč? Abych byl upřímný, neexistuje žádná odpověď. Proč byla v této konkrétní době potřebná socializace, není jasné.

– Sociální mravenci a vosy se objevili také uprostřed křídy – před 100 miliony let?

– Ano, je to tak, mravenci jsou ve skutečnosti skupinou specializovaných bezkřídlých vos. To nějak souvisí s celkovou radikální restrukturalizací globálního ekosystému, ke které došlo uprostřed křídy, s níž souvisí expanze kvetoucích rostlin, které právě v tu chvíli začaly kompletně přestavovat svět. Ale neexistuje odpověď, proč takový mechanismus vznikl. Otázka na školní biologickou olympiádu. Školáci, protože jsou otevření, někdy vymyslí úžasné věci. Takové otázky by se opravdu měly klást školákům, středoškolákům, někdy píšou dobře.

– Jaké byly poslední velké objevy hmyzích výzkumníků?

– Široká veřejnost si nikdy nevšimne skutečných vědeckých senzací. A v roce 2000 byl objeven nový řád hmyzu. Tým je nejvyšší skupina za třídou. Řády jsou brouci, motýli, blanokřídlí, vážky. Byl objeven nový řád – živá fosilie. Nejprve byl nalezen v baltském jantaru, což je opět pozoruhodné, od baltského ledna do současnosti bylo popsáno na čtyři tisíce druhů zvířat a více než sto druhů rostlin; To znamená, že fauna baltského jantaru je jasná, že se jedná o největší fosilní faunu všech dob a národů a je srovnatelná, ne-li větší, než nedávné fauny. Někde místní fauna, tady jsou čtyři tisíce druhů. A přesto jsou nadále pravidelně nalézáni, bez ohledu na to, jak moc se hrabou, stále nacházejí nejrůznější zajímavé věci. Ale to je neuvěřitelná věc, když našli zástupce nového řádu hmyzu, např mantophasmatodes, kříženec kudlanky nábožné a paličáka. Nejprve byl nalezen v baltském jantaru a poté byly v Namibii objeveny dva druhy živých tvorů. Naprosto úžasný objev.

– Proč se nový řád hmyzu jmenoval Mantophasmotoda?

– Mantophasmotodas, v ruštině se jim dá říkat kudlankatý hmyz. Předpokládá se, že ve skutečnosti existuje další řád, který byl považován za vyhynulý – triasový řád Titanoptor. Krátce se objevuje v triasu, není jasné, od koho pochází a vymírá, nezanechává potomky. Existuje verze, že tyto mantophasmatody jsou jen reliktními zástupci tohoto velmi triasového řádu, kteří přežili dodnes.

– Mezi paleoentomology proběhla diskuse o tom, jak moc souvisí nárůst diverzity hmyzu s rychlou diverzifikací kvetoucích rostlin ve střední křídě. Věřilo se, že když se kvetoucí rostliny začaly množit, stimulovalo to a způsobilo rychlý nárůst rozmanitosti hmyzu.

– To je pravda, jen obrázek se ukázal být složitější a zajímavější. Střed křídy je dobou gigantické, velmi vážné krize suchozemských ekosystémů. Každý ví o velkém vymírání na rozhraní kenozoika a druhohor – před 65 miliony let. Faktem ale je, že toto velké vymírání zcela souvisí s mořem. Druhy, které žily na souši, si prakticky ničeho nevšimly.

V této době pravděpodobně vyhynulo posledních sedm druhů dinosaurů. To vůbec není situace úplného vyhynutí v mořích, ke které došlo. A k vyhynutí na souši došlo přesně uprostřed křídového období, 25-30 milionů let před těmito událostmi. Tehdy Bůh ví, co se skutečně dělo na zemi, a vymírání hmyzu bylo také velmi vážné. To souviselo s rychlou expanzí krytosemenných rostlin, které restrukturalizovaly všechny tehdejší ekosystémy. Vytlačili druhohorní nahosemenné rostliny a vytvořili zásadně nové ekosystémy. Ale opět některé skupiny hmyzu vymřely, zatímco jiné skupiny se aktivně vyvíjely.

Ale ještě dříve, v různých skupinách nahosemenných rostlin, na konci jurského období (před 140 miliony let), se začal rozvíjet nezávislý krytosemenný syndrom. Krasilov, jeden ze specialistů na toto období a na původ krytosemenných rostlin, nazval četné a nezávisle se objevující skupiny nahosemenných napodobitelů kvetoucích rostlin. Mezi hmyzem se přitom objevují imitátoři motýlů, imitátoři včel a vše ostatní, ale ve zcela jiných skupinách. Jsou to podivuhodní síťovití kaligramati (Kalligrammatidae). Simulátor motýla, tedy stvoření velikosti dlaně, jehož křídla jsou přesně jako motýlí křídla, a navíc na nich jsou jasné vícebarevné soustředné kruhy. V Karatau je barva zachována. Jsou jednoduše zavěšeny v druhohorní místnosti v muzeu.

Tento hmyz se chová jako motýl, aniž by byl motýlem. A pak každá další adaptace těchto stejných napodobujících opylovačů a všech ostatních skupin provokuje rostlinu ke specializaci velmi specifickým směrem a rostliny se specializují stále více a více, provokuje je k rozvoji souboru vlastností, úžasný systém s pozitivní zpětnou vazbou je získané. Existuje výběrové řízení, zhruba řečeno příroda poskytuje výběrové řízení na konkrétní zakázku. Někomu se to podaří, někomu ne. Obraz evoluce hmyzu a kvetoucích rostlin a souvislosti s krizí, která vznikla ve střední křídě, není takový, jak se očekávalo v 1970. letech XNUMX. století, kdy byl tento jev poprvé objeven. To znamená, že obraz se ukázal být složitější a podle mého názoru prostě zajímavější a dramatičtější.