Când au evoluat insectele?

În cazul în care vă întrebați, la ultima numărătoare, 1.659.420 de specii de animale au fost descrise de oamenii de știință. Aproape 80% dintre acestea sunt artropode, sau insecte și rudele lor crocante.

Planeta noastră a artropodelor este dominată de insecte, iar când și cum au pus insectele stăpânire pe pământ este o întrebare care îi nedumerește pe naturaliști de secole. Într-un efort internațional incredibil, 100 de oameni de știință și-au combinat expertiza moleculară, de biologie computațională, statistică, paleontologie și taxonomie pentru a descoperi câteva concluzii surprinzătoare despre momentul în care au evoluat grupurile majore de insecte:

B. Misof, et al. 2014. Filogenomica rezolvă calendarul și modelul evoluției insectelor. Science 346 (6210): 763-767.

Vezi mai mult

Cum se rezolvă o problemă precum cea a insectelor?

Povestea din spate a acestei cercetări este aproape la fel de interesantă ca și rezultatele. A da sens diversității insectelor din colecții a fost în mod tradițional o sarcină pentru un expert singuratic, de obicei specializat într-un singur subset al unui grup. Aceștia se identifică atât de mult cu organismele pe care le studiază, încât pot fi prezentați ca fiind „Omul furnică” sau „Femeia viespe”. (Niciun taxonomist pe care îl cunosc nu poartă colanți de spandex și pelerine la serviciu, lucru pentru care sunt profund recunoscător). Cu peste un milion de specii descrise, nu este greu de înțeles cum cineva își poate petrece o viață întreagă încercând să facă ordine în haosul biodiversității.

Taxonomia are o istorie de conflicte și excentricitate, iar intrarea noilor tehnologii moleculare în lumea acelor mici și a specimenelor de muzeu nu a fost întotdeauna (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule „Ca și cum ai numi o specie „procrastinator””). Când secvențierea era costisitoare și consumatoare de timp, întrebarea era „ce specie ar trebui să facem în continuare?”. Concurența pentru finanțare și spațiu de laborator era acerbă.

Cu progresele înregistrate atât în informatică, cât și în secvențierea de generație următoare, viteza și costul secvențierii au scăzut suficient de mult pentru ca oamenii de știință să se poată grupa și să pună întrebări mai mari. Brian Wiegmann de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord (Autor #74) a exprimat acest lucru în mod elegant: „Nu este suficient doar să catalogăm cărțile din bibliotecă; vrem să le înțelegem conținutul.”

Bernhard Misof de la Muzeul de Cercetare Zoologică Alexander Koenig, Germania (Autor #1), Xin Zhou de la China National GeneBank, BGI-Shenzhen, China (Autor #100), și Karl Kjer de la Universitatea Rutgers, SUA (Autor #99), au venit cu un plan ambițios. Ei au format 1KITE; acronimul înseamnă 1K Insect Transcriptome Evolution. O echipă globală de experți a fost recrutată pentru a ajuta la crearea unui inventar cu acces liber al transcriptomilor (toate genele exprimate într-un organism) pentru 1.000 de specii de insecte. Această bază de date va fi folosită pentru a răspunde la întrebări legate de modul în care insectele au evoluat în diversitatea uimitoare de forme pe care o vedem astăzi și are, de asemenea, aplicații în medicină, agricultură și ecologie de conservare.

Articolul publicat în această săptămână se ocupă în principal de calendarul evoluției insectelor, pe baza unui subset de 144 de specii. Cercetătorii caută răspunsuri la câteva întrebări foarte importante: Când au evoluat insectele zborul? Când s-a dezvoltat uimitoarea diversitate a insectelor?

Clocks and Rocks

Problema cu fosilele este că acestea sunt rare. Atunci când sunt implicate animale mici și ghemuite, ele sunt și mai puțin frecvente. Această nouă cercetare folosește estimări de timp bazate pe dovezi geologice din fosile în combinație cu timpii estimați de divergență pe baza dovezilor moleculare. Acest lucru se numește uneori un ceas molecular, deoarece se folosește de schimbările acumulate în ADN pentru a spune cât timp a trecut.

Urmărirea întregului ARN din mii de mostre de insecte din sute de specii de insecte reprezintă o mulțime de date. Cea mai mare problemă a proiectului a fost să se ocupe de cantitatea masivă de informații generate de secvențe. Combinațiile posibile erau de ordinul cvadrilioanelor. Capacitatea de calcul pentru a prelucra toate aceste date… nu există.

Aici a intrat în joc informaticianul și expertul în bioinformatică Alexandros Stamatatakis (Autor #60) și echipa sa. Grupul său de cercetare a venit cu o metodă matematică pentru a exclude combinațiile foarte puțin probabile și a se concentra pe cele probabile. Grupul de supercomputere al Institutului de Studii Teoretice din Heidelberg, care de obicei lucrează la probleme de astrofizică, a fost folosit pentru a concura datele.

Dinosaurii nu aveau păduchi, și alte revelații

Atunci ce a descoperit această cantitate enormă de muncă? Concluzia care cred că va stârni cea mai mare atenție din partea publicului este că păduchii sunt un grup recent de insecte, apărând doar în urmă cu aproximativ 53 de milioane de ani; momentul în care au apărut păsările și mamiferele moderne.

Această dată face ca păduchii să fie mai „tineri” decât primatele. S-ar putea să existe o mică agitație pe măsură ce estimările proaste anterioare bazate pe fosile sunt revizuite. Toată lumea iubește o confruntare taxonomică bună.

Dar aceasta este de fapt o constatare secundară. Alte descoperiri majore de remarcat:

• Principii insectelor (Hexapoda) au apărut probabil în timpul perioadei Ordovicianului timpuriu, în urmă cu aproximativ 479 de milioane de ani.
• Volul insectelor a apărut în urmă cu aproximativ 406 milioane de ani, cam în același timp în care plantele au început să se diversifice cu adevărat pe uscat și să crească în sus în păduri.
• Diversificarea explozivă a insectelor în majoritatea ordinelor majore pe care le vedem astăzi a avut loc înainte de apariția Angiospermelor (plante cu flori).

Cât de repede s-au diversificat insectele este remarcabil. Pământul are o vechime de ~4,5 miliarde de ani. Doar în ultimii 10% din istoria pământului, plantele au colonizat pământul. Într-un interval de 80 de milioane de ani, insectele au format majoritatea grupurilor majore încă în viață astăzi și au cucerit cerul, unde au domnit suprem timp de milenii.

Jessica Ware de la Universitatea Rutgers (Autor #8) a declarat că „a fost o radiație rapidă și extremă într-o perioadă foarte scurtă de timp. Ne-a îngreunat foarte mult munca ca oameni de știință – aceasta a fost una dintre piedicile tradiționale pentru clasificarea insectelor. Cu această cantitate uriașă de date avem acum o rezoluție excelentă și putem spune ceva despre intervale de vârstă.”

Ce înseamnă toate acestea?

Cea mai bună parte a acestei cercetări este încă de așteptat, dar direcția în care ne îndreptăm este clară. Arborele vieții insectelor a fost tăiat și rearanjat în mod constant în ultimul secol. Uneori se simte ca și cum taxonomiștii ar fi participat la un program FBI de protecție a martorilor, denumirile au fost schimbate atât de des.

Acest lucru va continua cu siguranță – înțelegerea modului în care fiecare grup de coleoptere, de exemplu, este înrudit este un nivel foarte fin de detaliu. Dar imaginea de ansamblu este în cele din urmă în curs de focalizare. Acum suntem pe cale să realizăm o filogenie reală, sau o hartă a ceea ce a apărut mai întâi și ce relații au grupurile între ele. Acest grup este un părinte, acest grup este o soră.

Pe măsură ce mai multe cercetări ale acestui grup sunt publicate, ne apropiem de o filogenie a insectelor care este mai mult decât o poveste pe care am pus-o cap la cap din modele de aripi și genitale de insecte. Începem cu adevărat să realizăm ceea ce a spus odată un mare colecționar de gândaci:

„De la un început atât de simplu, au evoluat și evoluează forme nesfârșite, cele mai frumoase și mai minunate.” Charles Darwin.

.