Большинство современных семейств жуков живут на Земле еще со времен существования динозавров. Такие выводы предоставила международная группа учёных, в состав которой вошли специалисты из США, Великобритании, Германии, Испании и Чехии.
До сих пор в научной среде имела широкое распространение гипотеза, согласно которой развитие отряда жесткокрылых (Coleoptera), самого разнообразного и богатого видами отряда насекомых, было непосредственно связано с появлением цветковых растений (Angiospermae). Иными словами, бурное развитие отряда началось не ранее чем 145 миллионов лет назад, считали эволюционные биологи. Однако некоторые исследователи допускали, что развитие отряда жесткокрылых, в который входит до четверти всех известных учёным видов живых существ, могло начаться значительно раньше появления цветковых, или покрытосеменных, растений, произошедшего в меловой геологический период (145–65 миллионов лет назад).
(Coleoptera) - отряд насекомых. Передние крылья (надкрылья) очень жёсткие и прочные; прикрывают вторую пару перепончатых крыльев, служащую для полёта. Перепончатые крылья намного длиннее надкрылий, в обычном состоянии они сложены и спрятаны под ними.
Для жуков характерно превращение 1-й пары крыльев в жёсткие надкрылья (или элитры), служащие для защиты 2-й, лётной пары крыльев и мягкой верхней стороны брюшка; переднегрудь вместе с головой образует передний отдел тела, подвижно сочленённый с задним отделом, покрытым надкрыльями; ротовые органы грызущие; развитие с полным превращением: личинки с развитой головой и грызущими ротовыми частями; ноги имеются, лишь у некоторых отсутствуют; куколки большей частью свободные, мягкие, обычно белые.
Размеры тела варьируют от 0,3 мм (семейство перокрылок) до 150 мм (Жук-геркулес семейства пластинчатоусых). Форма тела многообразна в связи с приспособленностью жуков к различным условиям обитания. Голова несёт органы обоняния и осязания (усики и щупики) и зрения — сложные глаза (у пещерных видов и обитателей лесной подстилки часто недоразвитые), редко — простые глаза (например, у кожеедов). Усики разной формы, в основном — 11-члениковые; минимальное число члеников 2, максимальное — 40.
Ротовые органы в общем однотипны; иногда специализированные, например, верхние челюсти у самцов некоторых видов (Жук-олень) служат оружием в период спаривания, нижние челюсти у некоторых нарывников превращены в хоботок. Грудные сегменты несут хорошо развитые ноги; концевой отдел ноги — лапка, в исходном типе 5-члениковая, часто число члеников сокращено до 4, иногда до 3 и даже 2. Строение ног очень разнообразно, чаще всего они ходильные или бегательные, но иногда передние ноги копательные, с сильными зубцами на голенях, например у жука скарабея, или хватательные, например у самцов некоторых водяных жуков; задние ноги часто плавательные (у плавунцов и др.) или прыгательные (у земляных блошек и др.). Заднегрудь неподвижно соединена со среднегрудью, сверху полностью прикрыта надкрыльями; среднегрудь обычно выступает между основаниями надкрылий в виде щитка. Надкрылья у большинства жуков прикрывают полностью брюшко сверху, но у ряда групп укорочены и оставляют видимыми сверху 2—5 сегментов брюшка (например, у стафилинов); изредка надкрылья совсем отсутствуют. При полёте активно действуют только задние крылья, они складываются не только вдоль, но и поперёк и убираются под надкрылья: жилкование крыльев довольно простое; тип жилкования имеет большое значение для классификации жуков; у многих жуков задние крылья недоразвиты. Брюшко из 9 члеников, из которых снаружи видны 4—6.
Жуки населяют всю сушу, кроме Антарктиды, ледниковой зоны Арктики и наиболее высоких гор; особенно богато представлены в тропиках. На территории бывшего СССР наибольшее число видов проживает в лесах Европейской части, Кавказа и Дальнего Востока.
Отряд жуков делят на 3 подотряда.
1) Archostemata — представители обладают наиболее примитивным строением брюшка и крыльев; сюда относятся современные семейства Cupedidae и ряд вымерших групп.
2) Плотоядные (Adephaga) — представлены преимущественно хищными жуками, например, семейство жужелиц (Carabidae), плавунцов (Dytiscidae) и др.
3) Разноядные (Polyphaga) — очень разнообразны по биологии; делятся на ряд серий семейств, включают основную массу жуков, в том числе с многочисленными представителями: семейства стафилинов (Staphylinidae), мертвоедов (Silphidae), водолюбов (Hydrophilidae), пластинчатоусых (Scarabaeidae), златок (Вирrestidae), щелкунов (Elateridae), божьих коровок (Coccinellidae), чернотелок (Tenebrionidae), нарывников (Meloidae), усачей (Cerambycidae), листоедов (Chrysomelidae), долгоносиков (Curculionidae) и короедов (Ipidae); часто к отряду жуков относят (в качестве семейства Stylopidae) также веерокрылых.
«Если мы попробуем изучить эволюционные изменения жесткокрылых, мы сможем хотя бы на четверть понять механизмы функционирования биологической вариативности», — заметил Бергстен.
или филогенетическая систематика - область биологической систематики, которая занимается идентификацией и прояснением эволюционных взаимоотношений среди разных видов жизни на Земле, как современных, так и вымерших.
Основателем систематики, области науки, которая занимается классификацией живых организмов и взаимоотношения между компонентами живого, считается Карл Линней. Однако только в конце 1950-х немецкий энтомолог Вилли Генниг высказал идею, что систематика должна отображать известную эволюционную историю так близко, как только возможно. Так был основан подход к систематике, который он назвал филогенетической систематикой.
Систематика описывает взаимоотношения среди таксонами и призвана помочь нам понять историю всех живых организмов.
Филогенетическое древо состоит из следующих элементов.
Узел: представляет таксономическую единицу. Он может быть или существующей группой или предком.
Ветвь: определяет взаимоотношение между таксонами в терминах потомков и предков.
Топология: правило,по которому разветвляется дерево.
Длина ветви: представляет число изменений, которые произошли между таксонами.
Корень: общий предок всех рассматриваемых организмов.
Масштаб расстояния: масштаб, который отражает число отличий между организмами или последовательностями генома.
Клада: группа двух или больше таксонов или последовательностей ДНК, которая включает как своего общего предка, так и всех его потомков.
Оперативная таксономическая единица (ОТЕ, OTU): уровень детализации, выбранный исследователем для данной работы, например индивидуумы, популяции, виды, роды или линии бактерий.
Методы филогенетического анализа
Существуют две главные группы методов изучения филогенетических взаимоотношений: фенетические и кладистические методы.
Фенетика, или числовая таксономия, использует разные мероприятия для определения наибольшего сходства рассматриваемых видов. Нет никаких ограничений на число или тип особенностей (данных) которые могут использоваться, хотя все данные должны быть сначала преобразованы в числовые значения, без любого «нормирования». Каждый организм потом сравнивается с каждым другим по всем особенностям, в результате подсчитывается число схожостей (или отличий). Организмы потом группируются таким образом, чтобы наиболее похожие были расположены вместе, а наиболее различающиеся — на максимальном расстоянии. В результате получают таксономические кластеры или фенограммы, которые не обязательно отображают генетическое сходство или эволюционную связь. Отсутствие эволюционного значения в фенетике привело к незначительному влиянию на классификацию животных, и в следствии интерес к использованию фенетики значительно уменьшился.
Альтернативный подход к схематическому изображению взаимоотношений между таксонами называется кладистикой. Основное предположение кладистики заключается в том, что члены группы имеют общую эволюционную историю. Потому они более близко относятся друг к другу, чем они к другим группам организмов. Связанные группы определяются по наличию набора уникальных особенностей (апоморфий), которые отсутствовали в отдаленных предках, но которые характерны для большинства или всех организмов в пределах группы. Полученные характеристики, относящиеся к членам группы называются синапоморфиями. Потому, в отличие от фенетических, кладистические группы не зависят от того сходны ли организмы по физическим чертам, а зависят от их эволюционных взаимоотношений. Действительно, в кладистических анализах у двую организмов могут быть общими многочисленные характеристики, но они будут членами разных групп.
Молекулярная филогенетика
Макромолекулярные данные, под которыми имеется в виду последовательности генетического материала (ДНК) и белков, накапливаются всё быстрыми темпами благодаря успехам молекулярной биологии. Сравнения последовательности ДНК у разных организмов могут сказать ученому много нового об эволюционных взаимоотношениях организмов, которые не могут иначе быть обнаружены на основе на морфологии, или внешней форме организмов, и их внутренней структуре. Поскольку геномы эволюционируют через постепенное накопление мутаций, количество отличий последовательности нуклеотидов между парой геномов разных организмов должно указать, как давно эти два генома разделили общего предка. Молекулярная филогенетика пытается определить скорость и отличия изменений в ДНК и белках, чтобы восстановить эволюционную историю генов и организмов.
Два общих подхода могут использоваться, чтобы получить эту информацию. В первом подходе, ученые используют ДНК, чтобы изучать эволюцию организма. Во втором подходе, разные организмы используются, чтобы изучать эволюцию ДНК. В любом подходе общая цель — сделать вывод относительно процесса эволюции организма по изменениям ДНК и процесса молекулярной эволюции по картине изменений ДНК.
Учёные провели филогенетический анализ отряда жесткокрылых. Используя макромолекулярные данные, учёные сравнили последовательности ДНК у представителей 1900 видов из более чем 80% известных семейств жесткокрылых, общее число которых — 168. Обычно, чтобы установить родство между животными, учёные изучают изменения лишь одного гена, но для столь большого числа видов биологи решили следить сразу за тремя «инструкциями по сборке белков».
Эта позволило определить генетическое родство в подотряде разноядных жуков (Polyphaga), в который входят почти 300 тысяч видов.
Генетический анализ выявил 5 семейств разноядных жуков, которые являются древнейшими прародителями всех остальных видов, входящих в отряд Coleoptera.
Более того, как показал дальнейший анализ с привлечением ископаемых свидетельств, первые представители этих пяти семейств появились 250 миллионов лет назад, в юрском периоде, то есть много раньше того времени, когда по Земле распространились покрытосеменные растения.
«Мы обнаружили, что пять небольших семейств, которые являются древнейшими прародителями остальных видов жуков, жили более 250 миллионов лет назад», — рассказали учёные.
покрытосеменные (Magnoliophyta, или Angiospermae) – отдел высших растений, имеющих цветок. Насчитывает свыше 400 семейств, более 12 000 родов и, вероятно, не менее 235 000 видов. По числу видов значительно превосходят все остальные группы высших растений, вместе взятые.
Палеонтологическая история цветковых растений началась с раннего мела (около 125 миллионов лет назад). В раннем мелу встречались довольно редко, однако в середине мелового периода (приблизительно 110 миллионов лет назад) происходит одно из наиболее глубоких и резких изменений растительного мира суши, и цветковые растения за сравнительно короткий промежуток геологического времени - несколько миллионов лет, распространяются по всему земному шару и достигают Арктики и Антарктики.
Одним из основных условий быстрого распространения была, вероятно, высокая эволюционная пластичность цветковых растений, выражавшаяся в необычайном разнообразии многочисленных приспособлений к самым различным экологическим условиям. Большую роль в эволюции и в массовом расселении цветковых растений сыграли животные-опылители, особенно сосущие насекомые. В результате адаптивной радиации покрытосеменные растения оказались способными к образованию значительного разнообразия группировок, входящих в состав самых различных экосистем.
В отличие от голосеменных, среди которых настоящие травянистые формы неизвестны, цветковые насчитывают большое количество разнообразных трав, в том числе и эпифитов. Цветковые растения - единственная группа растений, способная к образованию сложных многоярусных сообществ, состоящих главным образом из самих цветковых растений. Возникновение таких сообществ способствовало более интенсивному использованию среды и более успешному завоеванию новых территорий и освоению новых местообитаний.
Впрочем, учёные подчеркивают, что к моменту развития покрытосеменных растений на Земле уже обитали более сотни современных семейств жесткокрылых, то есть больше половины их нынешнего разнообразия. Впрочем, это не означает, что присутствовала и большая часть современных видов, тем более если учесть оценки, по которым не открытыми по сей день остаются более половины видов жуков. Так или иначе, уверены исследователи, развитие новых экологических ниш могло лишь подстегнуть эволюцию некоторых подотрядов, но не было основным фактором, определившим характер развития этого отряда насекомых.
Более того, по словам авторов исследования, еще одним подтверждением результатов их исследования является тот факт, что за многомиллионную историю существования отряда его представители продемонстрировали умение осваивать новые экологические ниши, не свойственные им прежде способы питания, охватывая, таким образом, практически все доступное им пространство флоры.
«Жукам удалось освоить разнообразные ниши: они могут жить и под корой, и под камнями, не повреждая свои задние перепончатые крылья. Таким образом, жуки могут, приспосабливаясь к различным местам и условиям обитания, рассеиваться по всей планете. Именно благодаря своему экологическому разнообразию и способности приспосабливаться к окружающей среде жуки в отличие от динозавров не вымерли, а продолжили успешное существование», — подытожил Бергштен.
Ознакомиться с результатами исследования можно в журнале Science.
