Para estudiar cómo las interacciones entre dos especies de ruiseñores estrechamente relacionadas afectan su evolución fenotípica, analizamos los patrones de variación morfológica en poblaciones alopátricas y simpátricas de ambas especies. Nuestro análisis reveló dos patrones principales de cambio morfológico. En primer lugar, los ruiseñores han convergido en tamaño corporal total (como se refleja en PC1) en simpatría. En segundo lugar, los ruiseñores divergieron en tamaño relativo del pico en comparación con el tamaño corporal (como se refleja en PC3) en simpatría. Esta divergencia fue asimétrica y fue causada principalmente por el aumento del tamaño del pico en L. megarhynchos. Un análisis más detallado de la variación morfológica a lo largo de gradientes geográficos reveló que la convergencia en el tamaño corporal total fue causada principalmente por el aumento del tamaño corporal con el aumento de la latitud (Figura 3), un fenómeno conocido como regla de Bergmann . Las interacciones interespecíficas no tuvieron un efecto significativo en la convergencia del tamaño corporal (Tabla 3). Por otro lado, las interacciones interespecíficas contribuyeron significativamente a la divergencia en el tamaño relativo del pico, incluso después de controlar los efectos de los gradientes geográficos (Tabla 3). A continuación, argumentamos que la divergencia observada en el tamaño relativo del pico es probablemente causada por la competencia interespecífica por los recursos alimentarios y discutimos cómo este desplazamiento de características ecológicas podría facilitar la especiación en ruiseñores.
La evidencia de desplazamiento de características ecológicas en ruiseñores
Schluter & McPhail resumió seis criterios para demostrar la ocurrencia de desplazamiento de características ecológicas. (1) El patrón no debe ocurrir por casualidad. (2) Los sitios de simpatría y alopatría no deben diferir mucho en los alimentos, el clima u otras características ambientales que afecten al fenotipo. (3) Las diferencias morfológicas deben reflejar las diferencias en el uso de los recursos. (4) Debe haber pruebas independientes de la competencia. (5) Las diferencias aumentadas deben ser el resultado de cambios evolutivos reales, no de la colonización y extinción sesgada de individuos de tamaño similar. (6) Las diferencias fenotípicas deben tener una base genética. Cumplir con todos estos criterios suele ser bastante difícil, y hay sorprendentemente pocos estudios en los que se han descartado explicaciones alternativas para la divergencia simpátrica y se ha demostrado que la competencia interespecífica por los recursos alimentarios es un mecanismo causal . En este estudio, reunimos evidencia de que al menos satisface parcialmente cuatro de estos criterios (2-5).
El desplazamiento de caracteres se demuestra típicamente como una mayor diferencia morfológica entre especies en simpatría que en alopatría. Sin embargo, este patrón también puede surgir si los sitios de simpatría y alopatría difieren en las características ambientales que afectan al fenotipo (criterio 2). Esto a menudo es causado por gradientes ambientales a través de las áreas de distribución de las especies. Nuestra área de estudio se encuentra dentro de Europa central, para la cual los gradientes climáticos de suroeste a noreste son característicos . Se buscó desentrañar los efectos de los gradientes ambientales y las interacciones interespecíficas mediante la incorporación de variables geográficas (latitud y longitud) en modelos estadísticos. Este enfoque elimina los efectos de los gradientes geográficos en todas las direcciones. Encontramos que las interacciones interespecíficas contribuyen significativamente a las diferencias mejoradas en la morfología del pico en la simpatría, incluso cuando se controlaron los efectos de los gradientes ambientales. Por lo tanto, es poco probable que los cambios observados en la morfología del pico sean causados por diferentes características ambientales o por diferentes suministros de alimentos en las regiones simpátricas y alopátricas.
Si las diferencias fenotípicas en las poblaciones simpátricas son causadas por el desplazamiento de las características ecológicas, deben reflejar las diferencias en el uso de los recursos (criterio 3). La morfología del pico generalmente está estrechamente relacionada con el uso de recursos en las aves y determina el tipo y el tamaño de los alimentos, así como las estrategias de alimentación . Esto es muy probable que también sea cierto para los ruiseñores. Aunque ambas especies de ruiseñores tienen una dieta similar en general, se alimentan de pequeños invertebrados en el suelo en una densa vegetación arbustiva, es posible que hayan evolucionado pequeñas diferencias en la dieta entre las especies en simpatría. Estas diferencias podrían ser causadas por la separación de sus nichos de alimentación en sitios donde ambas especies coexisten o por diferentes suministros de alimentos en diferentes microhábitats . Los territorios de L. luscinia tienden a aparecer en sitios más húmedos en la región de la simpatría, mientras que L. megarhynchos es más frecuente en lugares más secos, probablemente debido al desplazamiento por la competencia de interferencia . Además, Stadie observó estrategias de alimentación ligeramente diferentes de las dos especies en simpatría. Mientras que L. megarhynchos se alimentaba casi exclusivamente en el suelo, L. luscinia era capaz de atrapar insectos voladores y se observaba con más frecuencia espigar el follaje . Estas observaciones sugieren que tanto la separación de nichos dentro del mismo hábitat como la segregación de hábitats ocurren en poblaciones simpátricas de ruiseñores y podrían contribuir a la divergencia del tamaño del pico en la simpatría.
La morfología del pico en paseriformes también podría verse afectada por las características de la canción, como la frecuencia, el contenido armónico y el patrón temporal . Por lo tanto, una explicación alternativa para la diferenciación del tamaño del pico en los ruiseñores sería un cambio de canto en la simpatría. Tal cambio podría ser impulsado, por ejemplo, por la selección contra la hibridación inadaptada, un fenómeno conocido como desplazamiento o refuerzo del carácter reproductivo. Esto se ha documentado en pájaros Tinker africanos . Sin embargo, tal explicación es poco probable en este sistema de estudio, ya que la convergencia de los cantos en lugar de la divergencia ocurre en las poblaciones simpátricas de ruiseñores . Además, la convergencia del canto en los ruiseñores es causada por el cambio del canto en L. luscinia, pero no en L. megarhynchos, en contraste con el patrón que observamos en la morfología del pico.
Deben demostrarse pruebas independientes de la competencia entre especies para fundamentar convincentemente el desplazamiento de las características ecológicas (criterio 4). Ambas especies de ruiseñores tienen requisitos de hábitat muy similares y muestran territorialidad interespecífica en simpatría . Además, los experimentos de reproducción han demostrado que los machos de ambas especies responden agresivamente a canciones heteroespecíficas en simpatría . Esto sugiere que la competencia interespecífica por los recursos está presente en las dos especies de ruiseñor. El papel de la competencia interespecífica en la divergencia del tamaño del pico en los ruiseñores también se ve respaldado por la asimetría observada en el cambio morfológico en nuestros datos. Se espera un desplazamiento asimétrico de caracteres si una especie sufre costos más altos durante las interacciones interespecíficas; esta especie debería divergir más que las otras especies . En este sistema de estudio, L. megarhynchos es el competidor más débil, como sugieren cuatro observaciones. En primer lugar, L. megarhynchos tiene un tamaño corporal más pequeño en comparación con L. luscinia . En segundo lugar, L. megarhynchos muestra un cambio parcial de hábitat en la simpatría . En tercer lugar, L. megarhynchos responde agresivamente a la canción heteroespecífica con menos frecuencia que L. luscinia . En cuarto lugar, la zona de simpatría se está moviendo lentamente en dirección suroeste hacia el área de L. megarhynchos, lo que podría ser el resultado del dominio de L. luscinia en la competencia interespecífica . De acuerdo con la menor competitividad de L. megarhynchos, esta especie muestra un cambio significativo en el tamaño del pico entre simpatría y alopatría, mientras que el tamaño del pico de L. luscinia no difiere entre las regiones. Este resultado es consistente con la idea de que la competencia interespecífica impulsa la diferenciación del tamaño del pico en los ruiseñores.
Finalmente, el desplazamiento de caracteres debe ser el resultado de un verdadero cambio evolutivo, no de una colonización sesgada y extinción de individuos de tamaño similar (criterio 5). Por ejemplo, es posible que las regiones simpátricas fueran colonizadas preferentemente por L. megarhynchos con picos grandes o que L. megarhynchos con picos pequeños se extinguiera en simpatría debido a razones distintas a la selección mediada por la competencia. Abordamos esta pregunta comparando las distribuciones de los valores de tamaño de pico (reflejados en los residuos de PC3 después de eliminar los efectos de latitud y longitud) en poblaciones simpátricas y alopátricas dentro de la misma especie. Se encontró que el rango no atípico de valores de tamaño de pico para la población simpátrica de L. megarhynchos va más allá del rango no atípico observado para la población alopátrica de la misma especie (Figura 5). Esto sugiere que el aumento observado en el tamaño del pico en la población simpátrica de L. megarhynchos es causado por la evolución in situ de un fenotipo novedoso y, por lo tanto, representa un cambio evolutivo real en lugar de una colonización sesgada y la extinción de individuos con ciertos fenotipos.
Estas observaciones sugieren que es probable que el desplazamiento de las características ecológicas sea el mecanismo causal subyacente a las diferencias morfológicas entre las poblaciones simpátricas de las dos especies de ruiseñor. No obstante, aún es necesario abordar varias cuestiones para proporcionar pruebas más directas de los desplazamientos por características ecológicas. En primer lugar, la divergencia observada en la morfología del pico debe demostrarse en poblaciones independientes adicionales para descartar la posibilidad de que el patrón sea causado por casualidad (criterio 1). En segundo lugar, debe establecerse un vínculo directo entre el tamaño de las facturas y las preferencias alimentarias (criterio 3). En tercer lugar, se debe demostrar la relación entre el tamaño del pico y el nivel de competencia interespecífica en poblaciones simpátricas (criterio 4). Por último, queda por demostrar que la divergencia de las poblaciones simpátricas se basa en la genética (criterio 6), aunque algunos cambios no genéticos también pueden reflejar el desplazamiento de las características ecológicas, como se explica a continuación.
Desplazamiento de las características ecológicas frente al flujo genético: ¿resultado de la selección natural o de la plasticidad fenotípica?
El desplazamiento de las características ecológicas se ha considerado a menudo como un evento posterior a la especiación que ocurre después de completar el aislamiento reproductivo entre especies incipientes . En especies donde la hibridación es común, el flujo genético interespecífico puede dificultar la diferenciación ecológica. En este estudio, encontramos que al menos el 3% de los ruiseñores simpátricos representan híbridos. Además, se ha documentado el flujo de genes entre las especies en múltiples loci . Esto plantea la cuestión de cómo se mantiene la divergencia morfológica en las poblaciones simpátricas de ruiseñores y por qué no se borra por el flujo génico interespecífico.
Una posible explicación es simplemente que la selección natural tiene un efecto más fuerte en las frecuencias de los alelos en los loci que son responsables de la variabilidad del tamaño del pico que la tasa de flujo génico interespecífico. Esto se puede considerar en el contexto de los modelos de equilibrio migración-selección. Los alelos en los loci que controlan el tamaño del pico se introducirán debido al flujo de genes de las especies hermanas, y se eliminarán debido a la selección. Bajo una serie de supuestos simplificadores, la frecuencia de equilibrio (q) para un alelo deletéreo dominante introducido por migración a velocidad m y eliminado por selección de magnitud s viene dada por q = m/s. En los ruiseñores, la mayoría de las hibridaciones pueden no conducir al flujo genético, ya que las hembras F1 son estériles . En nuestro estudio, solo un ave era un híbrido de última generación. Si tomamos esto como una estimación superior muy aproximada del nivel de flujo genético (m = 0.01), entonces un costo selectivo del 10% (s = 0.1) sería suficiente para mantener los alelos introducidos en una frecuencia relativamente baja (es decir, 10%). Este cálculo muy aproximado solo pretende ilustrar que el grado de flujo génico es lo suficientemente bajo como para que una selección fuerte pueda mantener diferentes frecuencias alélicas para rasgos de importancia ecológica.
De hecho, trabajos anteriores sugirieron que este tipo de selección actúa regularmente contra los alelos introducidos por la migración entre estas especies . Ese estudio mostró que la introgresión entre las especies de ruiseñor es significativamente menor en el cromosoma Z que en los autosomas, lo que sugiere que la selección actúa contra loci enlazados con Z mal emparejados . Las estimaciones indirectas de la tasa de migración general a partir de patrones de variación de secuencias de ADN analizados bajo un modelo de aislamiento con migración fueron del orden de 10-7 , muchos órdenes de magnitud más bajos que la proporción de híbridos de generación posterior (10-2) observada en este estudio. Esta gran diferencia sugiere que muchos individuos híbridos pueden no contribuir sustancialmente al flujo genético, tal vez porque tienen una condición física más baja. Si es así, incluso una selección débil podría ser suficiente para impulsar la evolución de las diferencias en la forma del pico en la simpatría.
¿Por qué los alelos que aumentan el tamaño del pico en L. megarhynchos simpátricos no se propagan a las poblaciones alopátricas? Una posible explicación es que un pico más grande es menos óptimo que el fenotipo ancestral de pre-desplazamiento en alopatría. De hecho, el desplazamiento de personajes podría representar una «mejor de una mala situación», sensu, en el sentido de que disminuye la competencia interespecífica, pero a un costo de reducción en otros parámetros de aptitud. Tales compensaciones de aptitud física pueden generar una barrera selectiva al flujo de genes entre las poblaciones simpátricas y alopátricas porque los individuos de cualquiera de las poblaciones estarán en desventaja en la población alternativa .
La plasticidad fenotípica podría proporcionar una explicación alternativa para el mantenimiento de las diferencias fenotípicas en la presencia de flujo génico. La plasticidad fenotípica es la capacidad de un organismo para cambiar su fenotipo en respuesta a estímulos ambientales . Dado que se trata de una respuesta no genética, el flujo génico interespecífico no debe afectar las diferencias morfológicas causadas por la plasticidad fenotípica. Evidencia reciente sugiere que la plasticidad fenotípica en la morfología del pico puede ocurrir en respuesta a condiciones deficientes durante el desarrollo. Gil et al. han demostrado que los polluelos del Estornino Inmaculado (Sturnus unicolor) desarrollan picos más grandes y un tamaño corporal más pequeño en malas condiciones de alimentación. El tamaño del pico de los polluelos (especialmente el ancho de la abertura) es un determinante importante de la distribución de alimentos entre los polluelos . Gil et al. por lo tanto, sugirió que el crecimiento del pico podría favorecerse sobre el crecimiento del tamaño corporal general cuando las condiciones de alimentación empeoraron. En los ruiseñores, L. megarhynchos, que es el competidor más débil, podría verse obligado a territorios de baja calidad con menor disponibilidad de alimentos en sitios donde ambas especies coexisten. El estrés nutricional podría causar un aumento del tamaño del pico en los polluelos y, en la madurez, de las aves adultas.
Las diferencias morfológicas causadas por la plasticidad fenotípica tradicionalmente no se consideran desplazamiento de caracteres, ya que no tienen una base genética (aunque la tendencia a expresar diferentes fenotipos en condiciones ambientales variables se puede determinar genéticamente) y, por lo tanto, no pueden heredarse (criterio 6). Las excepciones interesantes representan casos en los que el cambio fenotípico plástico se transmite a la próxima generación a través del efecto materno . Estudios recientes, sin embargo, indican que si el cambio fenotípico plástico es adaptativo (por ejemplo, si conduce a un cambio en la elección de alimentos, lo que a su vez reduce la competencia interespecífica), eventualmente puede estabilizarse mediante la evolución de las diferencias genéticas a través de un proceso conocido como asimilación genética . La plasticidad fenotípica podría facilitar la evolución del desplazamiento de caracteres en presencia de flujo génico . Otros estudios de desarrollo de ruiseñores criados con alimentos de baja y alta calidad deberían proporcionar más información sobre los mecanismos próximos responsables de la divergencia en el tamaño del pico en estas especies.