Quando si sono evoluti gli insetti?

Nel caso te lo stessi chiedendo, all’ultimo conteggio 1.659.420 specie di animali sono state descritte dagli scienziati. Quasi l’80% di queste sono artropodi, o insetti e i loro parenti croccanti.

Il nostro pianeta degli artropodi è dominato dagli insetti, e quando e come gli insetti hanno conquistato la terra è una domanda che ha sconcertato i naturalisti per secoli. In un incredibile sforzo internazionale, 100 scienziati hanno combinato la loro competenza molecolare, biologia computazionale, statistica, paleontologia e tassonomica per scoprire alcune conclusioni sorprendenti su quando i principali gruppi di insetti si sono evoluti:

B. Misof, et al. 2014. La filogenomica risolve i tempi e il modello di evoluzione degli insetti. Science 346 (6210): 763-767.

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Come si risolve un problema come quello degli insetti?

La storia posteriore di questa ricerca è quasi altrettanto interessante quanto i risultati. Dare un senso alla diversità degli insetti nelle collezioni è stato tradizionalmente un compito per un esperto solitario, solitamente specializzato in un solo sottoinsieme di un gruppo. Si identificano così tanto con i loro organismi di studio che possono essere presentati come “l’uomo formica” o “la donna vespa”. (Nessun tassonomista che conosco indossa una calzamaglia di spandex e un mantello per lavorare, cosa di cui sono profondamente grato). Con oltre un milione di specie descritte, non è difficile capire come qualcuno possa passare una vita intera a cercare di fare ordine nel caos della biodiversità.

La tassonomia ha una storia di conflitti ed eccentricità, e l’ingresso delle nuove tecnologie molecolari nel mondo delle piccole spille e degli esemplari da museo non è sempre stato (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule “Come chiamare una specie “procrastinatore””). Quando il sequenziamento era costoso e richiedeva tempo, la domanda era “quale specie dovremmo fare dopo?”. La competizione per i finanziamenti e lo spazio del laboratorio era vivace.

Con i progressi sia nel calcolo che nel sequenziamento di prossima generazione, la velocità e il costo del sequenziamento sono scesi abbastanza da permettere agli scienziati di unirsi e porre domande più grandi. Brian Wiegmann della North Carolina State University (Autore #74) lo ha detto in modo elegante: “

Bernhard Misof del Museo di Ricerca Zoologica Alexander Koenig, Germania (Autore #1), Xin Zhou del China National GeneBank, BGI-Shenzhen, Cina (Autore #100), e Karl Kjer della Rutgers University, USA (Autore #99), hanno elaborato un piano ambizioso. Hanno formato 1KITE; l’acronimo sta per 1K Insect Transcriptome Evolution. Una squadra globale di esperti è stata reclutata per aiutare a creare un inventario ad accesso aperto dei trascrittomi (tutti i geni espressi in un organismo) per 1.000 specie di insetti. Questo database sarà utilizzato per rispondere alle domande su come gli insetti si sono evoluti nella sorprendente diversità di forme che vediamo oggi, e ha anche applicazioni in medicina, agricoltura ed ecologia di conservazione.

Il documento pubblicato questa settimana si occupa principalmente dei tempi di evoluzione degli insetti, sulla base di un sottoinsieme di 144 specie. I ricercatori stanno cercando risposte ad alcune domande molto grandi: Quando gli insetti hanno evoluto il volo? Quando si è sviluppata l’incredibile diversità degli insetti?

Orologi e rocce

Il problema dei fossili è che sono rari. Quando si tratta di piccoli animali mollicci, sono ancora meno comuni. Questa nuova ricerca usa stime di tempo basate su prove geologiche dai fossili in combinazione con tempi stimati di divergenza basati su prove molecolari. Questo è talvolta chiamato un orologio molecolare, poiché utilizza i cambiamenti accumulati nel DNA per dire quanto tempo è passato.

Guardare tutto l’RNA in migliaia di campioni di insetti in centinaia di specie di insetti è un sacco di dati. Il più grande problema del progetto è stato quello di gestire l’enorme quantità di informazioni di sequenza generate. Le possibili combinazioni erano in quadrilioni. La capacità di calcolo per analizzare tutti quei dati… non esiste.

È qui che l’informatico ed esperto di bioinformatica Alexandros Stamatatakis (Autore #60) e il suo team sono entrati in gioco. Il suo gruppo di ricerca ha elaborato un metodo matematico per escludere le combinazioni altamente improbabili e concentrarsi su quelle probabili. Il gruppo di supercomputer dell’Istituto di Studi Teorici di Heidelberg, che di solito lavora su problemi di astrofisica, è stato usato per analizzare i dati.

I dinosauri non avevano i pidocchi, e altre rivelazioni

Cosa ha trovato questa enorme quantità di lavoro? La conclusione che penso susciterà la maggior parte dell’attenzione del pubblico è che i pidocchi sono un gruppo recente di insetti, apparsi solo circa 53 milioni di anni fa; il tempo in cui sono apparsi gli uccelli e i mammiferi moderni.

Questa data rende i pidocchi più “giovani” dei primati. Ci potrebbe essere un po’ di trambusto quando le precedenti pessime stime basate sui fossili saranno riviste. Tutti amano un buon confronto tassonomico.

Ma questa è davvero una scoperta secondaria. Altre importanti scoperte degne di nota:

• Gli antenati degli insetti (Hexapoda) hanno probabilmente avuto origine durante il primo periodo Ordoviciano, circa 479 milioni di anni fa.
• Il volo degli insetti è emerso circa 406 milioni di anni fa, circa nello stesso periodo in cui le piante hanno iniziato a diversificarsi realmente sulla terra e a crescere verso l’alto nelle foreste.
• L’esplosiva diversificazione degli insetti nella maggior parte degli ordini principali che vediamo oggi è avvenuta prima della comparsa delle Angiosperme (piante da fiore).

Quanto velocemente si siano diversificati gli insetti è notevole. La terra ha ~4,5 miliardi di anni. Solo nell’ultimo 10% della storia della terra, le piante hanno colonizzato la terra. In un arco di 80 milioni di anni gli insetti hanno formato la maggior parte dei principali gruppi che vivono ancora oggi e hanno conquistato i cieli, dove hanno regnato supremi per millenni.

Jessica Ware della Rutgers University (Autore #8) ha detto “è stata una radiazione rapida ed estrema in un periodo di tempo molto breve. Ha reso il nostro lavoro davvero difficile come scienziati – questo è stato uno degli ostacoli tradizionali per classificare gli insetti. Con questa enorme quantità di dati ora abbiamo una risoluzione eccellente, e possiamo effettivamente dire qualcosa sulle fasce di età.”

Cosa significa tutto questo?

La parte migliore di questa ricerca deve ancora venire, ma dove siamo diretti è chiaro. L’albero della vita degli insetti è stato potato e riorganizzato costantemente nell’ultimo secolo. A volte sembra che i tassonomisti abbiano partecipato ad un programma di protezione dei testimoni dell’FBI, i nomi sono stati cambiati così spesso.

Questo continuerà certamente – capire come ogni gruppo di coleotteri, per esempio, è collegato è un livello molto fine di dettaglio. Ma il quadro generale si sta finalmente mettendo a fuoco. Ora siamo sulla buona strada per una vera filogenesi, o mappa di ciò che è venuto prima, e quali relazioni hanno i gruppi tra loro. Questo gruppo è un genitore, questo gruppo è una sorella.

Man mano che la ricerca di questo gruppo viene pubblicata, ci stiamo avvicinando a una filogenesi degli insetti che è più di una semplice storia che abbiamo messo insieme da modelli di ali e genitali di insetti. Stiamo veramente cominciando a realizzare ciò che un grande collezionista di coleotteri ha detto una volta:

“Da un inizio così semplice, infinite forme più belle e più meravigliose si sono evolute, e si stanno evolvendo.” Charles Darwin.