w 1830 roku niemiecki przyrodnik Renous został aresztowany w San Fernando w Chile za herezję. Jego roszczenia? Potrafi zmieniać gąsienice w motyle. Kilka lat później Renous opowiedział swoją historię Karolowi Darwinowi, który zauważył ją w podróży Beagle ' a.,
uwięzienie kogoś za to, co dziś kwalifikuje się jako powszechna wiedza może wydawać się ekstremalne, ale metamorfoza-proces, w którym niektóre zwierzęta nagle przekształcają swoje ciała po urodzeniu-od dawna inspirował nieporozumienia i mistycyzm. Ludzie wiedzieli co najmniej od czasów starożytnego Egiptu, że robaki i larwy rozwijają się w owady dorosłe, ale ewolucja metamorfozy owadów pozostaje prawdziwą biologiczną tajemnicą do dziś., Niektórzy naukowcy zaproponowali dziwaczne historie o pochodzeniu, takie jak pomysł Donalda Williamsona, że metamorfoza motyli wynikała ze starożytnego i przypadkowego kojarzenia się dwóch różnych gatunków-jednego, który wił się po ziemi i jednego, który fruwał w powietrzu.
metamorfoza jest procesem naprawdę dziwacznym, ale wyjaśnienie jej ewolucji nie wymaga takich bezpodstawnych teorii (krytyka hipotezy Williamsona znajduje się w tym opracowaniu)., Łącząc dowody z zapisu kopalnego z badaniami anatomii i rozwoju owadów, biolodzy stworzyli wiarygodną narrację o pochodzeniu metamorfozy owadów, którą nadal weryfikują jako nowe powierzchnie informacyjne. Najwcześniejsze owady w historii Ziemi nie przeobrażały się; wykluły się z jaj, zasadniczo jako miniaturowe osobniki dorosłe. Pomiędzy 280 a 300 milionami lat temu, jednak niektóre owady zaczęły dojrzewać nieco inaczej-wykluły się w formach, które ani nie wyglądały, ani nie zachowywały się jak ich dorosłe wersje., Zmiana ta okazała się niezwykle korzystna: Młode i stare owady nie rywalizowały już o te same zasoby. Metamorfoza była tak udana, że dziś aż 65 procent wszystkich gatunków zwierząt na planecie metamorfozuje owady.
the egg of an idea
w 1651 angielski lekarz William Harvey opublikował książkę, w której zaproponował, że gąsienice i inne larwy owadów są wolnymi zarodkami, które porzuciły ubogie w składniki odżywcze „niedoskonałe jaja”, zanim dojrzeją., Harvey twierdził ponadto, że kokon lub poczwarka, w którą gąsienica weszła w stadium poczwarki, to drugie jajo, w którym przedwcześnie wykluł się zarodek. Żywił pogląd, że gąsienica to jedno stworzenie, a motyl to zupełnie inna bestia.
niektóre z pomysłów Harveya były precedensowe, ale w większości źle zinterpretował to, co zaobserwował. W 1669 Holenderski biolog Jan Swammerdam odrzucił koncepcję Harveya o poczwarce jako jajku, a motylu jako innym zwierzęciu niż gąsienica., Swammerdam dokonał sekcji WSZYSTKICH rodzajów owadów pod mikroskopem, potwierdzając, że larwy, poczwarki i owady dorosłe były fazami rozwoju pojedynczego osobnika, a nie odrębnych stworzeń. Pokazał, że można znaleźć niedojrzałe części ciała ćmy i motyla wewnątrz larwy, jeszcze zanim ona obróciła kokon lub utworzyła poczwarkę. W niektórych pokazach, na przykład, Swammerdam obrał skórę jedwabników—stadium larwalnego udomowionej ćmy jedwabnej (Bombyx mori) – aby odsłonić podstawowe skrzydła wewnątrz.,
dziś biolodzy wiedzą, że te dorosłe struktury powstają z klastrów komórek zwanych dyskami wyobrażeniowymi, które po raz pierwszy tworzą się, gdy w jajku rozwija się zarodek owada. U niektórych gatunków dyski imaginalne pozostają w dużej mierze uśpione aż do stadium poczwarki, podczas którego szybko się rozmnażają i rosną w dorosłe nogi, skrzydła i oczy, wykorzystując rozpuszczone komórki larwalne jako paliwo i budulec. U innych gatunków dyski wyobrażeniowe zaczynają przybierać kształt dorosłych części ciała, zanim owady poczwarują (Zobacz pasek boczny: jak gąsienica zmienia się w motyla?,)
Swammerdam uznał również, że nie wszystkie owady metamorfozują się w ten sam sposób. Zaproponował cztery rodzaje metamorfozy, które później biolodzy podzielili na trzy kategorie. Bezskrzydłe owady ametaboliczne, takie jak srebrzyki i szczecinki, przechodzą niewielką lub żadną metamorfozę. Kiedy wylęgają się z jaj, wyglądają już jak dorośli, choć maleńkie, i po prostu rosną z czasem dzięki serii linień, w których zrzucają egzoszkielety., Hemimetaboly, czyli niekompletna metamorfoza, opisuje owady, takie jak karaluchy, koniki polne i ważki, które wykluwają się jako nimfy—miniaturowe wersje ich dorosłych form, które stopniowo rozwijają skrzydła i funkcjonalne genitalia, gdy liną i rosną. Holometaboly, czyli całkowita metamorfoza, odnosi się do owadów, takich jak chrząszcze, muchy, motyle, ćmy i pszczoły, które wykluwają się jako larwy robakopodobne, które ostatecznie wchodzą w fazę poczwarki, zanim pojawią się jako dorosłe osobniki, które nie wyglądają jak larwy., Owady mogą stanowić od 80 do 90 procent wszystkich gatunków zwierząt, co oznacza, że 45 do 60 procent wszystkich gatunków zwierząt na planecie to owady, które przechodzą całkowitą metamorfozę według jednego oszacowania. Oczywiście ten styl życia ma swoje zalety.
nowa generacja
Metamorfoza Kompletna prawdopodobnie wyewoluowała z metamorfozy niekompletnej. Najstarsze skamieniałe owady rozwinęły się podobnie jak współczesne owady ametaboliczne i hemimetaboliczne—ich młode wyglądały jak dorosłe. Skamieniałości datowane na 280 milionów lat temu odnotowują jednak pojawienie się innego procesu rozwojowego., Mniej więcej w tym czasie niektóre owady zaczęły wylęgać się z jaj nie jako małe dorosłe osobniki, ale jako robakowate stworzenia z pulchnymi ciałami i wieloma małymi nogami. Na przykład w Illinois paleontolodzy odkryli młodego owada, który wygląda jak skrzyżowanie gąsienicy i świerszcza, z długimi włosami pokrywającymi jego ciało. Żył w tropikalnym środowisku i prawdopodobnie grzebał w ściółce liści w poszukiwaniu pożywienia.,
biolodzy nie ustalili ostatecznie, jak i dlaczego niektóre owady zaczęły się wykluwać w formie larwalnej, ale Lynn Riddiford i James Truman, wcześniej z University of Washington w Seattle, skonstruowali jedną z najbardziej wszechstronnych teorii. Zwracają uwagę, że owady, które dojrzewają przez niekompletną metamorfozę, przechodzą przez krótki etap życia, zanim staną się nimfami—etap pro-nimfalny, w którym owady wyglądają i zachowują się inaczej niż ich prawdziwe formy nimfowe., Niektóre owady przechodzą z nimf na Nimfy jeszcze w jaju; inne pozostają nimfami przez kilka minut lub kilka dni po wykluciu.
być może to stadium pro-nimfalne, jak sugerują Riddiford i Truman, przekształciło się w stadium larwalne pełnej metamorfozy. Być może 280 milionów lat temu, przez przypadkową mutację, niektóre pro-nimfy nie wchłonęły całego żółtka w swoich jajach, pozostawiając cenny zasób niewykorzystany., W odpowiedzi na tę niekorzystną sytuację niektóre pro-nimfy zyskały nowy talent: zdolność do aktywnego karmienia, do wsadzania dodatkowego żółtka, będąc jeszcze w jajku. Gdyby takie pro-nimfy wyłoniły się ze swoich jaj, zanim osiągnęły stadium nimfalne, byłyby w stanie kontynuować karmienie się w świecie zewnętrznym., Z biegiem pokoleń owady te mogły pozostawać w przedłużającym się stadium nimfalnym przez dłuższy czas, przez cały czas stawały się coraz bardziej robaczywe i specjalizowały się w dietach, które różniły się od diety dorosłych-spożywały owoce i liście, a nie nektar lub inne mniejsze owady. W końcu te prepubescent pro-nimfy stały się pełnoprawnymi larwami, które przypominały współczesne gąsienice. W ten sposób stadium larwalne metamorfozy całkowitej odpowiada Stadium pro-nimfalnym metamorfozy niekompletnej., Stadium poczwarki powstało później jako rodzaj skondensowanej fazy nimfalnej, która katapultowała wirggly larwy do ich aktywnych seksualnie skrzydlatych form dorosłych.
niektóre dowody anatomiczne, hormonalne i genetyczne potwierdzają ten scenariusz ewolucyjny. Anatomicznie, pro-nimfy mają dużo wspólnego z larwami owadów, które przechodzą całkowitą metamorfozę: obie mają miękkie ciała, brak łuskowatej zbroi i posiadają niedojrzały układ nerwowy. Gen o nazwie broad jest niezbędny w stadium poczwarki całkowitej metamorfozy., Jeśli znokautujesz ten gen, gąsienica nigdy nie tworzy poczwarki i nie staje się motylem. Ten sam gen jest ważny dla linienia w stadium metamorfozy niekompletnej, potwierdzając równoważność nimfy i poczwarki. Podobnie, zarówno pro – nimfy, jak i larwy mają wysoki poziom hormonu młodzieńczego, który jest znany z tłumienia rozwoju cech dorosłych., U owadów, które przechodzą niekompletną metamorfozę, poziomy hormonu młodocianego zanurzają się przed nimfą; w całkowitej metamorfozie hormon młodzieńczy nadal zalewa ciało larwy, aż tuż przed przepoczwar. Ewolucja niekompletnej metamorfozy w kompletną metamorfozę prawdopodobnie wiązała się z modyfikacją genetyczną, która wcześniej niż zwykle kąpała zarodek w hormonie młodzieńczym i utrzymywała wysoki poziom hormonu przez niezwykle długi czas.,
jednak metamorfoza ewoluowała, ogromna liczba metamorfoz owadów na planecie mówi o jej sukcesie jako strategii reprodukcyjnej. Podstawową zaletą całkowitej metamorfozy jest wyeliminowanie konkurencji między młodymi i starszymi. Owady larwalne i owady dorosłe zajmują bardzo różne nisze ekologiczne. Podczas gdy gąsienice są zajęte żerowaniem na liściach, całkowicie bezinteresowne w rozmnażaniu, motyle przelatują od kwiatu do kwiatu w poszukiwaniu nektaru i partnerów., Ponieważ larwy i dorośli nie konkurują ze sobą o przestrzeń lub zasoby, Więcej z nich może współistnieć w stosunku do gatunków, w których Młode i stare żyją w tych samych miejscach i jedzą te same rzeczy. Ostatecznie impuls dla wielu zdumiewających przemian życia wyjaśnia również metamorfozę owadów: przetrwanie.