Kiedy wyewoluowały owady?

Na wypadek gdybyście się zastanawiali, przy ostatnim liczeniu naukowcy opisali 1 659 420 gatunków zwierząt. Prawie 80% z nich to stawonogi, czyli owady i ich chrupiący krewni.

Nasza planeta stawonogów jest zdominowana przez owady, a kiedy i jak owady przejęły władzę nad Ziemią, to pytanie, które od wieków zastanawia przyrodników. W niesamowitym międzynarodowym wysiłku, 100 naukowców połączyło swoje molekularne, obliczeniowe biologiczne, statystyczne, paleontologiczne i taksonomiczne doświadczenie, aby odkryć kilka zaskakujących wniosków na temat tego, kiedy główne grupy owadów ewoluowały:

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

View more

Jak rozwiązać taki problem jak z owadami?

Kulisy tych badań są niemal tak samo interesujące jak ich wyniki. Nadawanie sensu różnorodności owadów w kolekcjach tradycyjnie było zadaniem dla samotnego eksperta, zwykle specjalizującego się w jednym podzbiorze grupy. Stają się oni tak utożsamieni z badanymi przez siebie organizmami, że mogą być przedstawiani jako „Człowiek mrówka” lub „Kobieta osa”. (Żaden znany mi taksonom nie nosi do pracy spandexowych rajstop i peleryn, za co jestem mu niezmiernie wdzięczny). Z ponad milionem opisanych gatunków, nie jest trudno zrozumieć, jak ktoś może spędzić całe życie, próbując zrobić porządek z chaosu bioróżnorodności.

Taksonomia ma historię konfliktu i ekscentryczności, a wejście nowych technologii molekularnych w świat maleńkich szpilek i okazów muzealnych nie zawsze było (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule „Jak nazwanie gatunku „procrastinator””). Kiedy sekwencjonowanie było drogie i czasochłonne, pytanie brzmiało „którym gatunkiem powinniśmy się zająć w następnej kolejności?”. Konkurencja o fundusze i przestrzeń laboratoryjną była brisk.

Z postępem zarówno w dziedzinie informatyki, jak i sekwencjonowania następnej generacji, szybkość i koszt sekwencjonowania spadły na tyle, że naukowcy mogą łączyć się w grupy i zadawać większe pytania. Brian Wiegmann z North Carolina State University (Autor #74) ujął to elegancko: „Nie wystarczy tylko skatalogować książki w bibliotece; chcemy zrozumieć ich zawartość.”

Bernhard Misof z Zoological Research Museum Alexander Koenig, Niemcy (Autor #1), Xin Zhou z China National GeneBank, BGI-Shenzhen, Chiny (Autor #100), i Karl Kjer z Rutgers University, USA (Autor #99), wymyślili ambitny plan. Stworzyli 1KITE; akronim oznacza 1K Insect Transcriptome Evolution. Globalna grupa ekspertów została zrekrutowana do pomocy w stworzeniu ogólnodostępnego spisu transkryptomów (wszystkich wyrażonych genów w organizmie) dla 1000 gatunków owadów. Ta baza danych zostanie wykorzystana do odpowiedzi na pytania o to, jak owady ewoluowały do niesamowitej różnorodności form, które widzimy dzisiaj, a także ma zastosowanie w medycynie, rolnictwie i ekologii ochrony.

Papier wydany w tym tygodniu zajmuje się głównie z czasem ewolucji owadów, w oparciu o podzbiór 144 gatunków. Naukowcy szukają odpowiedzi na kilka bardzo dużych pytań: Kiedy owady ewoluowały lot? Kiedy rozwinęła się niesamowita różnorodność owadów?

Zegary i skały

Problem ze skamieniałościami jest taki, że są one rzadkie. Kiedy w grę wchodzą maleńkie, gąbczaste zwierzęta, są one jeszcze rzadsze. To nowe badanie wykorzystuje szacunki czasu oparte na geologicznych dowodach ze skamielin w połączeniu z szacowanymi czasami dywergencji opartymi na dowodach molekularnych. To jest czasami nazywany zegar molekularny, ponieważ wykorzystuje nagromadzone zmiany w DNA, aby powiedzieć, ile czasu minęło.

Patrząc na wszystkich RNA w tysiącach próbek owadów w setki gatunków owadów jest mnóstwo danych. Największym problemem dla projektu było poradzenie sobie z ogromną ilością wygenerowanych informacji o sekwencji. Możliwe kombinacje były liczone w kwadrylionach. Zdolność obliczeniowa do chrupania wszystkich tych danych … nie istnieje.

To jest, gdzie informatyk i ekspert bioinformatyki Alexandros Stamatakis (Autor #60) i jego zespół wszedł do gry. Jego grupa badawcza wymyśliła metodę matematyczną, aby wykluczyć wysoce nieprawdopodobne kombinacje i skupić się na tych prawdopodobnych. Grupa superkomputerowa Heidelberg Institute for Theoretical Studies, która zwykle pracuje nad problemami astrofizycznymi, została użyta do chrupania danych.

Dinozaury nie miały wszy, i inne rewelacje

Co więc znalazła ta ogromna ilość pracy? Wniosek, który moim zdaniem wzbudzi największe zainteresowanie opinii publicznej, jest taki, że wszy są niedawną grupą owadów, pojawiającą się tylko około 53 milionów lat temu; w czasie, gdy pojawiły się współczesne ptaki i ssaki.

Ta data czyni wszy „młodszymi” od naczelnych. Może być trochę zamieszania, ponieważ poprzednie kiepskie szacunki oparte na skamielinach są rewidowane. Każdy uwielbia dobrą taksonomiczną wrzawę.

Ale to jest naprawdę drugorzędne odkrycie. Inne główne ustalenia:

• Przodkowie owadów (Hexapoda) prawdopodobnie pochodzą z wczesnego ordowiku, około 479 milionów lat temu.
• Lot owadów pojawił się około 406 milionów lat temu, mniej więcej w tym samym czasie, kiedy rośliny zaczęły się naprawdę różnicować na lądzie i rosnąć w górę do lasów.
• Gwałtowne zróżnicowanie owadów do większości głównych zamówień, które widzimy dzisiaj stało się przed pojawieniem się Angiosperms (kwitnące rośliny).

Just jak bardzo szybko owady zróżnicowane jest niezwykłe. Ziemia jest ~ 4,5 miliarda lat. W zaledwie ostatnich 10% historii ziemi, rośliny skolonizował ziemię. W zakresie 80 milionów lat owady utworzone większość głównych grup wciąż żyje dzisiaj i przejął nieba, gdzie panował przez tysiąclecia.

Jessica Ware z Rutgers University (Autor #8) powiedział: „to było szybkie i ekstremalne promieniowanie w bardzo krótkim okresie czasu. To sprawiło, że nasza praca naprawdę trudne jako naukowców – to był jeden z tradycyjnych przeszkód dla klasyfikacji owadów. Z tej ogromnej ilości danych mamy teraz doskonałą rozdzielczość, i możemy rzeczywiście powiedzieć coś o zakresach wiekowych.”

Co to wszystko znaczy?

Najlepsza część tych badań jest jeszcze przed nami, ale gdzie zmierzamy jest jasne. W ostatnim stuleciu drzewo życia owadów było stale przycinane i układane na nowo. Czasami wydaje się, że taksonomowie uczestniczyli w programie ochrony świadków FBI, nazwy były tak często zmieniane.

To z pewnością będzie kontynuowane — zrozumienie, jak każda grupa chrząszczy, na przykład, jest spokrewniona, to bardzo drobny poziom szczegółowości. Ale szerszy obraz w końcu zaczyna się koncentrować. Jesteśmy teraz na dobrej drodze do prawdziwej filogenezy, czyli mapy tego, co było pierwsze, i jakie relacje łączą poszczególne grupy. Ta grupa jest rodzicem, ta grupa jest sister.

Jak więcej badań z tej grupy jest publikowany, jesteśmy coraz bliżej do filogenezy owadów, które jest więcej niż tylko historia, że mamy pieced razem z wzorów skrzydeł i genitaliów błędów. Jesteśmy naprawdę zaczyna sobie sprawę, co wielki kolekcjoner chrząszczy kiedyś powiedział:

„Od tak prostego początku, nieskończone formy najpiękniejsze i najwspanialsze były i są, ewoluowały.” Karol Darwin.

.