Wanneer zijn insecten geëvolueerd?

In het geval u het zich afvroeg, bij de laatste telling zijn er 1.659.420 diersoorten door wetenschappers beschreven. Bijna 80% daarvan zijn geleedpotigen, oftewel insecten en hun knapperige verwanten.

Onze planeet van geleedpotigen wordt gedomineerd door insecten, en wanneer en hoe insecten de aarde hebben veroverd, is een vraag die natuurkenners al eeuwenlang voor een raadsel stelt. In een ongelooflijke internationale inspanning hebben 100 wetenschappers hun moleculaire, computationele biologie, statistiek, paleontologie en taxonomische expertise gecombineerd om een aantal verrassende conclusies te ontdekken over wanneer de belangrijkste groepen insecten zijn geëvolueerd:

B. Misof, et al. 2014. Fylogenomica lost de timing en het patroon van de evolutie van insecten op. Science 346 (6210): 763-767.

View more

Hoe los je een probleem als dat van de insecten op?

Het achtergrondverhaal van dit onderzoek is bijna net zo interessant als de resultaten. Het begrijpen van de diversiteit van insecten in collecties is van oudsher een taak voor een eenzame deskundige, meestal gespecialiseerd in slechts één subgroep van een groep. Ze raken zo geïdentificeerd met hun studie-organismen, dat ze kunnen worden voorgesteld als “de mierenman” of “de wespenvrouw”. (Geen enkele taxonoom die ik ken draagt een spandex maillot en cape naar het werk, waarvoor ik zeer dankbaar ben). Met meer dan een miljoen beschreven soorten, is het niet moeilijk te zien hoe iemand een heel leven zou kunnen besteden aan het proberen om orde te scheppen in de chaos van de biodiversiteit.

Taxonomie heeft een geschiedenis van conflicten en excentriciteit, en de intrede van nieuwe moleculaire technologieën in de wereld van kleine spelden en museumexemplaren is niet altijd geweest (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule “Zoals het benoemen van een soort ‘uitsteller'”). Toen sequencing duur en tijdrovend was, was de vraag “welke soort moeten we nu doen?” De concurrentie om financiering en labruimte was hevig.

Met de vooruitgang in zowel computers als Next-Generation sequencing, zijn de snelheid en kosten van sequencing genoeg gedaald dat wetenschappers zich kunnen verenigen en grotere vragen kunnen stellen. Brian Wiegmann van de North Carolina State University (auteur nr. 74) verwoordde het elegant als volgt: “

Bernhard Misof van het Zoölogisch Onderzoeksmuseum Alexander Koenig, Duitsland (auteur #1), Xin Zhou van de China National GeneBank, BGI-Shenzhen, China (auteur #100), en Karl Kjer van de Rutgers University, VS (auteur #99), kwamen met een ambitieus plan. Zij vormden 1KITE; het acroniem staat voor 1K Insect Transcriptome Evolution. Een wereldwijde groep experts werd gerekruteerd om te helpen een open-access inventarisatie te maken van transcriptomen (alle tot expressie gebrachte genen in een organisme) voor 1.000 insectensoorten. Deze database zal worden gebruikt om vragen te beantwoorden over hoe insecten evolueerden tot de verbazingwekkende diversiteit van vormen die we vandaag de dag zien, en heeft ook toepassingen in de geneeskunde, landbouw, en behoud ecologie.

De paper die deze week is vrijgegeven gaat vooral over de timing van de evolutie van insecten, op basis van een subset van 144 soorten. De onderzoekers zijn op zoek naar antwoorden op enkele zeer grote vragen: Wanneer evolueerden insecten vlucht? Wanneer ontwikkelde zich de verbazingwekkende diversiteit van insecten?

Klokken en gesteenten

Het probleem met fossielen is dat ze zeldzaam zijn. En als het om kleine squishy diertjes gaat, zijn ze nog minder gewoon. Dit nieuwe onderzoek maakt gebruik van tijdschattingen op basis van geologisch bewijsmateriaal uit fossielen in combinatie met geschatte tijdstippen van divergentie op basis van moleculair bewijsmateriaal. Dit wordt ook wel een moleculaire klok genoemd, omdat het gebruik maakt van geaccumuleerde veranderingen in het DNA om te vertellen hoeveel tijd er is verstreken.

Het bekijken van al het RNA in duizenden insectenmonsters van honderden insectensoorten is een HOEVEELheid aan gegevens. Het grootste probleem voor het project was het omgaan met de enorme hoeveelheid sequentie-informatie die werd gegenereerd. De mogelijke combinaties liepen in de quadriljoen. De rekencapaciteit om al die gegevens te kraken… bestaat niet.

Dit is waar computerwetenschapper en bioinformatica-expert Alexandros Stamatakis (Auteur #60) en zijn team in het spel kwamen. Zijn onderzoeksgroep kwam met een wiskundige methode om hoogst onwaarschijnlijke combinaties uit te sluiten, en zich te concentreren op waarschijnlijke combinaties. De Heidelberg Institute for Theoretical Studies Supercomputer groep, die gewoonlijk werkt aan astrofysica problemen, werd gebruikt om de gegevens te kraken.

Dinosaurussen hadden geen luizen, en andere onthullingen

Dus wat heeft deze enorme hoeveelheid werk gevonden? De conclusie die denk ik de meeste publieke aandacht zal trekken, is dat luizen een recente groep insecten zijn, die pas ongeveer 53 miljoen jaar geleden verschenen; de tijd dat moderne vogels en zoogdieren verschenen.

Deze datum maakt luizen “jonger” dan primaten. Er kan een beetje ophef ontstaan als eerdere belabberde schattingen op basis van fossielen worden herzien. Iedereen houdt van een goede taxonomische afrekening.

Maar dat is eigenlijk een bijkomstige bevinding. Andere belangrijke bevindingen:

• De voorouders van de insecten (Hexapoda) zijn waarschijnlijk ontstaan in de Vroege Ordovicium Periode, ongeveer 479 miljoen jaar geleden.
• De vlucht van de insecten ontstond ongeveer 406 miljoen jaar geleden, rond dezelfde tijd dat de planten op het land zich echt begonnen te diversifiëren en omhoog begonnen te groeien tot bossen.
• De explosieve diversificatie van insecten in de meeste grote orden die we vandaag de dag zien, vond plaats vóór het ontstaan van de Angiospermen (bloeiende planten).

Hoe zeer snel insecten diversifieerden is opmerkelijk. De aarde is ~4,5 miljard jaar oud. In slechts de laatste 10% van de geschiedenis van de aarde, koloniseerden planten het land. In een tijdsspanne van 80 miljoen jaar vormden insecten de meeste grote groepen die vandaag nog leven en namen ze het luchtruim over, waar ze millennia lang hoogtij vierden.

Jessica Ware van de Rutgers University (Auteur #8) zei “het was een snelle en extreme radiatie in een zeer korte periode van tijd. Het maakte ons werk als wetenschappers echt moeilijk – dat is een van de traditionele struikelblokken voor het classificeren van insecten. Met deze enorme hoeveelheid gegevens hebben we nu een uitstekende resolutie, en kunnen we echt iets zeggen over leeftijdsbereiken.”

Wat betekent dit allemaal?

Het beste deel van dit onderzoek moet nog komen, maar waar we naar toe gaan is duidelijk. De insectenboom van het leven is gesnoeid en herschikt voortdurend in de laatste eeuw. Het lijkt soms wel of taxonomen hebben deelgenomen aan een FBI-getuigenbeschermingsprogramma, zo vaak zijn de namen veranderd.

Dat zal zeker zo blijven — begrijpen hoe elke groep kevers, bijvoorbeeld, verwant is, is een zeer fijn detailniveau. Maar het grotere plaatje komt nu eindelijk in beeld. We zijn nu op weg naar een echte fylogenie, of kaart van wat eerst kwam, en welke relatie groepen met elkaar hebben. Deze groep is een ouder, deze groep is een zuster.

Naarmate meer onderzoek van deze groep wordt gepubliceerd, komen we dichter bij een fylogenie van insecten die meer is dan een verhaal dat we in elkaar hebben geflanst aan de hand van vleugelpatronen en insectengeslachtsdelen. We beginnen echt te beseffen wat een groot keververzamelaar ooit zei:

“Vanuit zo’n eenvoudig begin, zijn eindeloos veel vormen, de mooiste en wonderbaarlijkste geëvolueerd, en worden nog steeds geëvolueerd.” Charles Darwin.