Pokud by vás to zajímalo, vědci při posledním sčítání popsali 1 659 420 druhů živočichů. Téměř 80 % z nich tvoří členovci neboli hmyz a jeho křupaví příbuzní.
Naší planetě členovců dominuje hmyz a otázka, kdy a jak hmyz ovládl Zemi, vrtá přírodovědcům hlavou už celá staletí. V neuvěřitelném mezinárodním úsilí spojilo 100 vědců své znalosti molekulární, výpočetní biologie, statistiky, paleontologie a taxonomie, aby odhalili některé překvapivé závěry o tom, kdy se vyvinuly hlavní skupiny hmyzu:
B. Misof a kol. 2014. Fylogenomika řeší načasování a zákonitosti evoluce hmyzu. Science 346 (6210): 763-767.
Jak vyřešit problém, jako je hmyz?“
Příběh tohoto výzkumu je téměř stejně zajímavý jako jeho výsledky. Zorientovat se v rozmanitosti hmyzu ve sbírkách bylo tradičně úkolem pro osamělého odborníka, který se obvykle specializoval jen na jednu podskupinu skupiny. Se svými studovanými organismy se natolik ztotožní, že mohou být představeni jako „Mravenčí muž“ nebo „Vosí žena“. (Žádný taxonom, kterého znám, nenosí do práce punčocháče a pláštěnku, za což jsem mu hluboce vděčný.) Při více než milionu popsaných druhů není těžké pochopit, jak se někdo může celý život snažit udělat pořádek z chaosu biodiverzity.
Taxonomie má za sebou historii plnou konfliktů a výstředností a vstup nových molekulárních technologií do světa drobných špendlíků a muzejních exemplářů nebyl vždy (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule“Jako pojmenování druhu „prokrastinátor“). Když bylo sekvenování drahé a časově náročné, otázka zněla „který druh bychom měli udělat příště?“. Konkurence o finanční prostředky a laboratorní prostory byla čilá.
S pokrokem v oblasti výpočetní techniky i sekvenování nové generace klesla rychlost a cena sekvenování natolik, že se vědci mohou spojit a klást si větší otázky. Brian Wiegmann ze Severokarolínské státní univerzity (autor č. 74) to vyjádřil elegantně: „Nestačí jen katalogizovat knihy v knihovně, chceme porozumět jejich obsahu.“
Bernhard Misof ze Zoologického výzkumného muzea Alexander Koenig, Německo (Autor č. 1), Xin Zhou z Čínské národní genové banky, BGI-Shenzhen, Čína (Autor č. 100) a Karl Kjer z Rutgers University, USA (Autor č. 99), přišli s ambiciózním plánem. Vytvořili 1KITE; zkratka znamená 1K Insect Transcriptome Evolution. Přizvali celosvětový tým odborníků, aby pomohli vytvořit volně přístupný soupis transkriptomů (všech exprimovaných genů v organismu) pro 1 000 druhů hmyzu. Tato databáze bude sloužit k zodpovězení otázek, jak se hmyz vyvinul do úžasné rozmanitosti forem, které vidíme dnes, a má také využití v medicíně, zemědělství a ekologii ochrany přírody.
Příspěvek zveřejněný tento týden se zabývá především načasováním evoluce hmyzu, a to na základě podskupiny 144 druhů. Vědci hledají odpovědi na některé velmi závažné otázky: Kdy se u hmyzu vyvinul let? Kdy se vyvinula úžasná rozmanitost hmyzu?
Hodiny a kameny
Problémem fosilií je, že jsou vzácné. Když se jedná o drobné křehké živočichy, jsou ještě méně časté. Tento nový výzkum používá odhady času založené na geologických důkazech ze zkamenělin v kombinaci s odhadovanými časy divergence na základě molekulárních důkazů. Tomuto postupu se někdy říká molekulární hodiny, protože využívá nahromaděné změny v DNA k určení, kolik času uplynulo.
Pohled na veškerou RNA v tisících vzorků hmyzu u stovek druhů hmyzu je HODNĚ dat. Největším problémem projektu bylo vypořádat se s obrovským množstvím generovaných sekvenčních informací. Možných kombinací byly kvadriliony. Výpočetní kapacita na zpracování všech těchto dat… neexistuje.
Tady přišel na řadu počítačový vědec a odborník na bioinformatiku Alexandros Stamatatakis (autor č. 60) a jeho tým. Jeho výzkumná skupina přišla s matematickou metodou, jak vyloučit velmi nepravděpodobné kombinace a zaměřit se na ty pravděpodobné. Ke zpracování dat byla použita superpočítačová skupina Heidelberského institutu pro teoretická studia, která obvykle pracuje na problémech astrofyziky.
Dinosauři neměli vši a další odhalení
Co tedy toto obrovské množství práce zjistilo? Závěr, který podle mého názoru vzbudí největší pozornost veřejnosti, je, že vši jsou recentní skupinou hmyzu, která se objevila teprve před 53 miliony let; v době, kdy se objevili moderní ptáci a savci.
Tímto datem jsou vši „mladší“ než primáti. Může nastat menší zmatek, protože se revidují předchozí mizerné odhady založené na fosiliích. Každý má rád dobré taxonomické házení klacků pod nohy.
Ale to je ve skutečnosti druhotné zjištění. Další významná zjištění, která stojí za zmínku:
- Předci hmyzu (Hexapoda) pravděpodobně vznikli v období raného ordoviku, asi před 479 miliony let.
- Létání hmyzu se objevilo asi před 406 miliony let, tedy přibližně ve stejné době, kdy se rostliny na souši začaly skutečně diverzifikovat a rozrůstat se do lesů.
- K explozivní diverzifikaci hmyzu do většiny hlavních řádů, které známe dnes, došlo ještě před vznikem krytosemenných rostlin (kvetoucích rostlin).
Jak velmi rychle se hmyz diverzifikoval, je pozoruhodné. Země je stará ~4,5 miliardy let. Jen v posledních 10 % pozemské historie kolonizovaly zemi rostliny. Během 80 milionů let se z hmyzu zformovala většina hlavních dodnes žijících skupin a hmyz ovládl oblohu, kde vládl po tisíciletí.
Jessica Ware z Rutgersovy univerzity (autor č. 8) uvedla, že „šlo o rychlou a extrémní radiaci ve velmi krátkém časovém období. To nám jako vědcům opravdu ztížilo práci – to byl jeden z tradičních kamenů úrazu při klasifikaci hmyzu. Díky tomuto obrovskému množství dat máme nyní vynikající rozlišení a můžeme skutečně něco říci o věkových rozmezích.“
Co to všechno znamená?“
To nejlepší z tohoto výzkumu nás teprve čeká, ale kam směřujeme, je jasné. Strom života hmyzu byl v minulém století neustále prořezáván a nově uspořádáván. Někdy to vypadá, jako by se taxonomové účastnili programu FBI na ochranu svědků, tak často se měnila jména.
To bude jistě pokračovat – pochopit, jak jsou si například jednotlivé skupiny brouků příbuzné, je velmi jemný detail. Ale celkový obraz se konečně dostává do popředí. Nyní jsme na cestě ke skutečné fylogenezi neboli mapě toho, co vzniklo dříve a jaké příbuzenské vztahy mezi sebou skupiny mají. Tato skupina je rodič, tato skupina je sestra.
Jak budou zveřejňovány další výsledky výzkumu této skupiny, blížíme se k fylogenezi hmyzu, která je víc než jen příběh, který jsme poskládali ze vzorů křídel a genitálií brouků. Skutečně si začínáme uvědomovat, co kdysi řekl jeden velký sběratel brouků:
„Z tak jednoduchého počátku se vyvinuly a vyvíjejí nekonečné formy nejkrásnější a nejpodivuhodnější.“ Charles Darwin.
Dr. Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn
.