Wann haben sich die Insekten entwickelt?

Für den Fall, dass Sie sich wundern: Bei der letzten Zählung wurden 1.659.420 Tierarten von Wissenschaftlern beschrieben. Fast 80 % davon sind Gliederfüßer (Arthropoden), also Insekten und ihre knusprigen Verwandten.

Unser Planet der Gliederfüßer wird von Insekten dominiert, und die Frage, wann und wie die Insekten die Erde übernommen haben, stellt Naturwissenschaftler seit Jahrhunderten vor ein Rätsel. In einer unglaublichen internationalen Anstrengung haben 100 Wissenschaftler ihr molekulares, computergestütztes biologisches, statistisches, paläontologisches und taxonomisches Fachwissen kombiniert, um einige überraschende Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, wann die wichtigsten Insektengruppen entstanden sind:

B. Misof, et al. 2014. Phylogenomics resolves the timing and pattern of insect evolution. Science 346 (6210): 763-767.

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Wie löst man ein Problem wie das der Insekten?

Die Hintergrundgeschichte dieser Forschung ist fast so interessant wie die Ergebnisse. Die Vielfalt der Insekten in Sammlungen zu erfassen, ist traditionell die Aufgabe eines einzelnen Experten, der sich in der Regel nur auf eine Untergruppe einer Gruppe spezialisiert hat. Sie identifizieren sich so sehr mit ihren Studienorganismen, dass sie als „Ameisenmann“ oder „Wespenfrau“ vorgestellt werden können. (Ich kenne keine Taxonomen, die bei der Arbeit Spandex-Strumpfhosen und Umhänge tragen, wofür ich zutiefst dankbar bin.) Bei über einer Million beschriebener Arten ist es nicht schwer zu verstehen, wie jemand sein ganzes Leben damit verbringen kann, Ordnung in das Chaos der Artenvielfalt zu bringen.

Die Taxonomie hat eine konfliktreiche und exzentrische Geschichte, und der Einzug neuer molekularer Technologien in die Welt der winzigen Stecknadeln und Museumsexemplare war nicht immer einfach (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule „Wie die Benennung einer Art als „Zauderer““). Als die Sequenzierung noch teuer und zeitaufwändig war, lautete die Frage: „Welche Art sollen wir als nächste untersuchen?“ Es herrschte ein reger Wettbewerb um Finanzmittel und Laborplatz.

Mit den Fortschritten in der Computertechnik und der Next-Generation-Sequenzierung sind die Geschwindigkeit und die Kosten der Sequenzierung so weit gesunken, dass sich Wissenschaftler zusammenschließen und größere Fragen stellen können. Brian Wiegmann von der North Carolina State University (Autor Nr. 74) hat dies elegant ausgedrückt: „

Bernhard Misof vom Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig, Deutschland (Autor Nr. 1), Xin Zhou von der China National GeneBank, BGI-Shenzhen, China (Autor Nr. 100), und Karl Kjer von der Rutgers University, USA (Autor Nr. 99), haben einen ehrgeizigen Plan entwickelt. Sie gründeten 1KITE; das Akronym steht für 1K Insect Transcriptome Evolution. Ein weltweites Team von Experten wurde rekrutiert, um ein frei zugängliches Inventar von Transkriptomen (alle exprimierten Gene in einem Organismus) für 1.000 Insektenarten zu erstellen. Diese Datenbank wird dazu dienen, Fragen darüber zu beantworten, wie sich die Insekten zu der erstaunlichen Formenvielfalt entwickelt haben, die wir heute sehen, und sie findet auch Anwendung in der Medizin, der Landwirtschaft und der Naturschutzökologie.

Die in dieser Woche veröffentlichte Arbeit befasst sich hauptsächlich mit dem zeitlichen Ablauf der Insektenevolution, basierend auf einer Untergruppe von 144 Arten. Die Forscher sind auf der Suche nach Antworten auf einige sehr wichtige Fragen: Wann haben die Insekten den Flug entwickelt? Wann hat sich die erstaunliche Vielfalt der Insekten entwickelt?

Uhren und Felsen

Das Problem mit Fossilien ist, dass sie selten sind. Wenn es sich um winzige, matschige Tiere handelt, sind sie sogar noch seltener. In dieser neuen Forschungsarbeit werden Zeitschätzungen auf der Grundlage geologischer Fossilien in Kombination mit geschätzten Divergenzzeiten auf der Grundlage molekularer Beweise verwendet. Dies wird manchmal als molekulare Uhr bezeichnet, da sie die akkumulierten Veränderungen in der DNA nutzt, um festzustellen, wie viel Zeit vergangen ist.

Die Betrachtung der gesamten RNA in Tausenden von Insektenproben von Hunderten von Insektenarten ist eine Menge Daten. Das größte Problem für das Projekt war der Umgang mit der riesigen Menge an Sequenzinformationen, die erzeugt wurden. Die möglichen Kombinationen gingen in die Billionen. Die Rechnerkapazität, um all diese Daten zu verarbeiten, ist nicht vorhanden.

Hier kamen der Informatiker und Bioinformatiker Alexandros Stamatatakis (Autor #60) und sein Team ins Spiel. Seine Forschungsgruppe hat eine mathematische Methode entwickelt, um höchst unwahrscheinliche Kombinationen auszuschließen und sich auf wahrscheinliche zu konzentrieren. Die Supercomputer-Gruppe des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien, die sich normalerweise mit astrophysikalischen Problemen befasst, wurde zur Auswertung der Daten herangezogen.

Dinosaurier hatten keine Läuse und andere Enthüllungen

Was hat diese enorme Arbeit also ergeben? Die Schlussfolgerung, von der ich glaube, dass sie die meiste öffentliche Aufmerksamkeit erregen wird, ist, dass Läuse eine rezente Gruppe von Insekten sind, die erst vor etwa 53 Millionen Jahren auftraten, also zu der Zeit, als moderne Vögel und Säugetiere auftauchten.

Dieses Datum macht Läuse „jünger“ als Primaten. Es könnte ein wenig Aufruhr geben, da frühere miserable Schätzungen, die auf Fossilien basierten, revidiert werden. Jeder liebt ein gutes taxonomisches Kräftemessen.

Aber das ist wirklich ein zweitrangiges Ergebnis. Weitere wichtige Erkenntnisse:

• Die Vorfahren der Insekten (Hexapoda) entstanden wahrscheinlich im frühen Ordovizium, vor etwa 479 Millionen Jahren.
• Der Insektenflug entwickelte sich vor etwa 406 Millionen Jahren, etwa zur gleichen Zeit, als die Pflanzen begannen, sich an Land zu diversifizieren und sich zu Wäldern zu entwickeln.
• Die explosionsartige Diversifizierung der Insekten in die meisten der heute bekannten Ordnungen geschah vor dem Aufkommen der Angiospermen (Blütenpflanzen).

Es ist bemerkenswert, wie schnell sich die Insekten diversifizierten. Die Erde ist ~4,5 Milliarden Jahre alt. Nur in den letzten 10% der Erdgeschichte haben Pflanzen das Land besiedelt. In einer Zeitspanne von 80 Millionen Jahren bildeten Insekten die meisten der heute noch lebenden Hauptgruppen und eroberten den Himmel, wo sie Jahrtausende lang herrschten.

Jessica Ware von der Rutgers University (Autorin Nr. 8) sagte: „Es war eine schnelle und extreme Ausbreitung in einem sehr kurzen Zeitraum. Das hat unsere Arbeit als Wissenschaftler sehr erschwert – das war einer der traditionellen Stolpersteine bei der Klassifizierung von Insekten. Mit dieser riesigen Datenmenge haben wir jetzt eine hervorragende Auflösung, und wir können tatsächlich etwas über die Altersklassen sagen.“

Was bedeutet das alles?

Das Beste an dieser Forschung steht uns noch bevor, aber die Richtung ist klar. Der Lebensbaum der Insekten ist im letzten Jahrhundert ständig beschnitten und neu geordnet worden. Manchmal kommt es einem so vor, als hätten die Taxonomen an einem Zeugenschutzprogramm des FBI teilgenommen, so oft wurden die Namen geändert.

Das wird sicherlich noch weitergehen – zu verstehen, wie jede Gruppe von Käfern zum Beispiel verwandt ist, ist eine sehr feine Sache. Aber das Gesamtbild rückt endlich ins Blickfeld. Wir sind jetzt auf dem Weg zu einer echten Phylogenie, einer Karte, die zeigt, was zuerst da war und in welcher Beziehung die Gruppen zueinander stehen. Diese Gruppe ist ein Elternteil, diese Gruppe ist eine Schwester.

Wenn mehr Forschungsergebnisse dieser Gruppe veröffentlicht werden, kommen wir einer Phylogenie der Insekten näher, die mehr ist als nur eine Geschichte, die wir aus Flügelmustern und Insektengenitalien zusammengesetzt haben. Wir beginnen wirklich zu begreifen, was ein großer Käfersammler einmal gesagt hat:

„Aus einem so einfachen Anfang haben sich unendlich viele Formen entwickelt, die am schönsten und wunderbarsten sind, und sie werden noch entwickelt.“ Charles Darwin.