Jos mietit, tiedemiehet ovat viimeisimmän laskennan mukaan kuvailleet 1 659 420 eläinlajia. Niistä lähes 80 % on niveljalkaisia eli hyönteisiä ja niiden rapeita sukulaisia.
Niveljalkaisten planeettaa hallitsevat hyönteiset, ja milloin ja miten hyönteiset valtasivat maapallon, on kysymys, joka on askarruttanut luonnontieteilijöitä vuosisatoja. Uskomattomassa kansainvälisessä ponnistuksessa 100 tutkijaa yhdistivät molekyylibiologian, laskennallisen biologian, tilastotieteen, paleontologian ja taksonomisen asiantuntemuksensa paljastaakseen yllättäviä johtopäätöksiä siitä, milloin tärkeimmät hyönteisryhmät ovat kehittyneet:
B. Misof, et al. 2014. Phylogenomics resolves the timing and pattern of insect evolution. Science 346 (6210): 763-767.
Miten ratkaistaan hyönteisten kaltainen ongelma?
Tutkimuksen taustatarina on lähes yhtä mielenkiintoinen kuin tulokset. Kokoelmissa olevien hyönteisten monimuotoisuuden hahmottaminen on perinteisesti ollut yksinäisen asiantuntijan tehtävä, joka on yleensä erikoistunut vain yhteen ryhmän osajoukkoon. Heistä tulee niin samaistuneita tutkittaviin organismeihinsa, että heidät saatetaan esitellä ”muurahaismiehenä” tai ”ampiaisnaisena”. (Yksikään tuntemani taksonomi ei käytä työssään spandex-sukkahousuja ja viittoja, mistä olen syvästi kiitollinen). Kun lajeja on kuvattu yli miljoona, ei ole vaikea ymmärtää, miten joku voi viettää koko elämänsä yrittäen saada järjestystä luonnon monimuotoisuuden kaaoksesta.
Taksonomialla on historiaa ristiriidoista ja eksentrisyydestä, eikä uusien molekyylitekniikoiden tulo pikkuruisten nuppineulojen ja museonäytteiden maailmaan ole aina ollut (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule ”Kuin lajin nimeäminen ”viivyttelijäksi””). Kun sekvensointi oli kallista ja aikaa vievää, kysymys oli ”mikä laji meidän pitäisi tehdä seuraavaksi”. Kilpailu rahoituksesta ja laboratoriotilasta oli vilkasta.
Sekä tietojenkäsittelyn että seuraavan sukupolven sekvensoinnin kehittymisen myötä sekvensoinnin nopeus ja kustannukset ovat laskeneet sen verran, että tutkijat voivat lyöttäytyä yhteen ja esittää suurempia kysymyksiä. Brian Wiegmann Pohjois-Carolinan valtionyliopistosta (kirjoittaja #74) ilmaisi tämän tyylikkäästi: ”
Bernhard Misof eläintieteellisestä tutkimusmuseosta Alexander Koenigista Saksasta (kirjoittaja #1), Xin Zhou Kiinan kansallisesta geenipankista BGI-Shenzhenistä Kiinasta (kirjoittaja #100) ja Karl Kjer Rutgersin yliopistosta Yhdysvalloista (kirjoittaja #99) keksivät kunnianhimoisen suunnitelman. He perustivat 1KITE:n; lyhenne tulee sanoista 1K Insect Transcriptome Evolution. Maailmanlaajuinen asiantuntijaryhmä rekrytoitiin auttamaan 1 000 hyönteislajin avoimesti saatavilla olevan transkriptomiluettelon (kaikki organismin ilmentämät geenit) luomisessa. Tätä tietokantaa käytetään vastaamaan kysymyksiin siitä, miten hyönteiset ovat kehittyneet nykypäivän hämmästyttävään monimuotoisuuteen, ja sillä on myös sovelluksia lääketieteessä, maataloudessa ja luonnonsuojeluekologiassa.
Tällä viikolla julkaistussa julkaisussa käsitellään lähinnä hyönteisten evoluution ajoitusta, joka perustuu 144 lajin osajoukkoon. Tutkijat etsivät vastauksia joihinkin hyvin suuriin kysymyksiin: Milloin hyönteiset kehittivät lennon? Milloin hyönteisten hämmästyttävä monimuotoisuus kehittyi?
Kellot ja kivet
Fossiilien ongelma on, että ne ovat harvinaisia. Kun kyse on pienistä litistyneistä eläimistä, ne ovat vielä harvinaisempia. Tässä uudessa tutkimuksessa käytetään fossiileista saatuihin geologisiin todisteisiin perustuvia aika-arvioita yhdessä molekyylitodisteisiin perustuvien arvioitujen eroamisaikojen kanssa. Tätä kutsutaan joskus molekyylikelloksi, koska se käyttää DNA:han kertynyttä muutosta kertomaan, kuinka paljon aikaa on kulunut.
Tuhansien hyönteisnäytteiden ja satojen hyönteislajien koko RNA:n tarkastelu on PALJON tietoa. Hankkeen suurin ongelma oli syntyneen valtavan sekvenssitietomäärän käsittely. Mahdollisia yhdistelmiä oli kvadriljoonittain. Laskentakapasiteettia kaiken tuon datan murskaamiseen… ei ole olemassa.
Tässä kohtaa tietojenkäsittelytieteilijä ja bioinformatiikan asiantuntija Alexandros Stamatatakis (Kirjoittaja #60) ja hänen tiiminsä astuivat kuvaan. Hänen tutkimusryhmänsä keksi matemaattisen menetelmän, jolla voidaan sulkea pois erittäin epätodennäköiset yhdistelmät ja keskittyä todennäköisiin yhdistelmiin. Tietojen murskaamiseen käytettiin Heidelberg Institute for Theoretical Studies Supercomputer-ryhmää, joka yleensä työskentelee astrofysiikan ongelmien parissa.
Dinosauruksilla ei ollut täitä ja muita paljastuksia
Mitä tämä valtava työmäärä sitten löysi? Johtopäätös, jonka uskon herättävän eniten julkista huomiota, on se, että täit ovat viimeaikainen hyönteisryhmä, joka ilmestyi vasta noin 53 miljoonaa vuotta sitten; samaan aikaan, kun nykyaikaiset linnut ja nisäkkäät ilmaantuivat.
Tämän päivämäärän perusteella täit ovat ”nuorempia” kuin kädelliset. Tästä voi tulla pieni kohu, kun aiempia fossiileihin perustuvia surkeita arvioita tarkistetaan. Kaikki rakastavat hyvää taksonomista heittelyä.
Mutta se on oikeastaan toissijainen havainto. Muita merkittäviä löydöksiä:
- Hyönteisten esi-isät (Hexapoda) saivat todennäköisesti alkunsa varhaisordoviikinaikana, noin 479 miljoonaa vuotta sitten.
- Hyönteisten lentokyky kehittyi noin 406 miljoonaa vuotta sitten, samoihin aikoihin, kun kasvit alkoivat toden teolla monipuolistua maalla ja kasvaa ylöspäin metsiksi.
- Hyönteisten räjähdysmäinen monipuolistuminen useimpiin nykyisin näkemiimme pääluokkiin tapahtui ennen angiospermien (kukkivien kasvien) ilmaantumista.
Juuri se, miten hyvin nopeasti hyönteiset monipuolistuivat, on huomattavaa. Maapallo on ~4,5 miljardia vuotta vanha. Vain viimeisen 10 %:n aikana maapallon historiasta kasvit kolonisoivat maan. 80 miljoonan vuoden aikana hyönteiset muodostivat suurimman osan nykyäänkin elävistä pääryhmistä ja valtasivat taivaan, jossa ne hallitsivat vuosituhansien ajan.
Jessica Ware Rutgersin yliopistosta (kirjoittaja #8) sanoi: ”Kyseessä oli nopea ja äärimmäinen säteily hyvin lyhyessä ajassa. Se teki työstämme tutkijoina todella vaikeaa – se on ollut yksi perinteisistä kompastuskivistä hyönteisten luokittelussa. Tämän valtavan tietomäärän ansiosta meillä on nyt erinomainen resoluutio, ja voimme itse asiassa sanoa jotain ikähaarukoista.”
Mitä tämä kaikki tarkoittaa?
Tutkimuksen paras osa on vielä edessä, mutta se, mihin olemme menossa, on selvää. Hyönteisten elämänpuuta on karsittu ja järjestelty uudelleen jatkuvasti viime vuosisadan aikana. Joskus tuntuu kuin taksonomit olisivat osallistuneet FBI:n todistajansuojeluohjelmaan, nimiä on muutettu niin usein.
Tämä tulee varmasti jatkumaan – sen ymmärtäminen, miten esimerkiksi kukin kovakuoriaisryhmä on sukua toisilleen, on hyvin hieno yksityiskohta. Mutta kokonaiskuva alkaa vihdoin hahmottua. Olemme nyt matkalla kohti todellista fylogeniaa eli karttaa siitä, mikä tuli ensin ja millainen suhde ryhmillä on toisiinsa. Tämä ryhmä on vanhempi, tämä ryhmä on sisar.
Kun enemmän tämän ryhmän tutkimustuloksia julkaistaan, olemme yhä lähempänä hyönteisten fylogeniaa, joka on enemmän kuin vain siipikuvioista ja hyönteisten sukuelimistä koottu tarina. Olemme todella alkaneet ymmärtää, mitä eräs suuri kovakuoriaisten keräilijä kerran sanoi:
”Niin yksinkertaisesta alusta on kehittynyt ja kehittyy loputtomasti kauneimpia ja ihmeellisimpiä muotoja.” Charles Darwin.
Tohtori Oliver Niehuis, ZFMK, Bonn
.