När utvecklades insekterna?

Om du skulle undra så har 1 659 420 djurarter beskrivits av forskare vid den senaste räkningen. Nästan 80 procent av dessa är leddjur, eller insekter och deras krispiga släktingar.

Vår planet av leddjur domineras av insekter, och när och hur insekterna tog över jorden är en fråga som har förbryllat naturvetare i århundraden. I ett otroligt internationellt arbete har 100 forskare kombinerat sin molekylära, beräkningsbiologiska, statistiska, paleontologiska och taxonomiska expertis för att avslöja några överraskande slutsatser om när stora grupper av insekter utvecklades:

B. Misof, et al. 2014. Fylogenomik löser upp tidpunkten och mönstret för insekters evolution. Science 346 (6210): 763-767.

Se mer

Hur löser man ett problem som insekterna?

Bakgrundshistorien till denna forskning är nästan lika intressant som resultaten. Att förstå mångfalden av insekter i samlingar har traditionellt sett varit en uppgift för en ensam expert, som vanligtvis har specialiserat sig på bara en delmängd av en grupp. De blir så identifierade med sina studieorganismer att de kan presenteras som ”myrmannen” eller ”getingkvinnan”. (Inga taxonomer jag känner till bär spandexstrumpbyxor och kappor på jobbet, vilket jag är djupt tacksam för). Med över en miljon beskrivna arter är det inte svårt att förstå hur någon kan tillbringa ett helt liv med att försöka skapa ordning i det biologiska kaoset.

Taxonomin har en historia av konflikter och excentricitet, och inträdet av nya molekylära tekniker i världen av små nålar och museiexemplar har inte alltid varit (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule ”Som att döpa en art till ”procrastinator”””). När sekvensering var dyrt och tidskrävande var frågan ”vilken art ska vi göra härnäst?”. Konkurrensen om finansiering och laboratorieutrymme var livlig.

Med framsteg inom både databehandling och nästa generations sekvensering har hastigheten och kostnaden för sekvensering sjunkit tillräckligt mycket för att forskarna ska kunna gå samman och ställa större frågor. Brian Wiegmann från North Carolina State University (författare nr 74) uttryckte detta på ett elegant sätt: ”Det räcker inte att bara katalogisera böckerna i biblioteket, vi vill förstå deras innehåll.”

Bernhard Misof från Zoological Research Museum Alexander Koenig, Tyskland (författare nr 1), Xin Zhou från China National GeneBank, BGI-Shenzhen, Kina (författare nr 100), och Karl Kjer från Rutgers University, USA (författare nr 99), kom med en ambitiös plan. De bildade 1KITE; akronymen står för 1K Insect Transcriptome Evolution. En global grupp experter rekryterades för att hjälpa till att skapa en inventering med öppen tillgång till transkriptom (alla uttryckta gener i en organism) för 1 000 insektsarter. Denna databas kommer att användas för att besvara frågor om hur insekter utvecklats till den fantastiska mångfald av former som vi ser i dag, och har också tillämpningar inom medicin, jordbruk och bevarandeekologi.

Den artikel som släpptes i veckan handlar främst om tidpunkten för insekters utveckling, baserat på en delmängd av 144 arter. Forskarna söker svar på några mycket stora frågor: När utvecklade insekterna flygning? När utvecklades insekternas fantastiska mångfald?

Klockor och stenar

Problemet med fossil är att de är sällsynta. När det handlar om små squishy djur är de ännu mer sällsynta. I denna nya forskning används tidsuppskattningar baserade på geologiska bevis från fossiler i kombination med uppskattade divergenstider baserade på molekylära bevis. Detta kallas ibland för en molekylär klocka, eftersom den använder ackumulerade förändringar i DNA för att berätta hur mycket tid som har gått.

Att titta på allt RNA i tusentals insektsprover från hundratals insektsarter är en MYCKET stor mängd data. Det största problemet för projektet var att hantera den enorma mängd sekvensinformation som genererades. De möjliga kombinationerna var i kvadriljoner. Datorkapaciteten för att bearbeta alla dessa data… finns inte.

Det var här som datavetaren och bioinformatik-experten Alexandros Stamatatakis (författare nr 60) och hans team kom in i bilden. Hans forskargrupp tog fram en matematisk metod för att utesluta mycket osannolika kombinationer och fokusera på sannolika kombinationer. Superdatorgruppen från Heidelberg Institute for Theoretical Studies, som vanligtvis arbetar med astrofysiska problem, användes för att bearbeta data.

Dinosaurier hade inte löss, och andra avslöjanden

Så vad fann denna enorma mängd arbete? Den slutsats som jag tror kommer att väcka mest uppmärksamhet hos allmänheten är att löss är en ny grupp insekter som uppträdde för bara cirka 53 miljoner år sedan, dvs. den tid då moderna fåglar och däggdjur dök upp.

Detta datum gör löss ”yngre” än primater. Det kan bli lite bråk när tidigare usla uppskattningar baserade på fossiler revideras. Alla älskar en bra taxonomisk uppgörelse.

Men det är egentligen ett sekundärt resultat. Andra viktiga fynd av betydelse:

• Insekternas förfäder (Hexapoda) uppstod troligen under den tidiga ordoviciumperioden, för cirka 479 miljoner år sedan.
• Insekternas flygning uppstod för cirka 406 miljoner år sedan, ungefär samtidigt som växterna började diversifiera sig på land och växa uppåt till skogar.
• Insekternas explosiva diversifiering till de flesta av de stora ordningar vi ser idag skedde innan Angiospermerna (blommande växter) uppstod.

Det är anmärkningsvärt hur snabbt insekterna diversifierades. Jorden är ~4,5 miljarder år gammal. Bara under de sista 10 procenten av jordens historia koloniserade växter marken. På 80 miljoner år bildade insekterna de flesta av de stora grupper som fortfarande lever i dag och tog över himlen, där de regerade i årtusenden.

Jessica Ware från Rutgers University (författare nr 8) säger att ”det var en snabb och extrem strålning under en mycket kort tidsperiod. Det gjorde vårt arbete riktigt svårt som forskare – det har varit en av de traditionella stötestenarna för att klassificera insekter. Med denna enorma mängd data har vi nu en utmärkt upplösning, och vi kan faktiskt säga något om åldersintervall.”

Vad betyder allt detta?

Den bästa delen av den här forskningen har ännu inte kommit, men vart vi är på väg är tydligt. Insekternas livsträd har beskurits och arrangerats om konstant under det senaste århundradet. Det känns ibland som om taxonomer har deltagit i ett vittnesskyddsprogram från FBI, namnen har ändrats så ofta.

Det kommer säkert att fortsätta – att förstå hur varje grupp av skalbaggar, till exempel, är besläktad är en mycket fin detaljnivå. Men den större bilden håller äntligen på att komma i fokus. Vi är nu på väg mot en riktig fylogeni, eller karta över vad som kom först och vilka släktskap grupper har med varandra. Den här gruppen är en förälder, den här gruppen är en syster.

I takt med att mer av forskningen från den här gruppen publiceras närmar vi oss en fylogeni för insekter som är mer än bara en berättelse som vi pusslat ihop från vingmönster och insektsgenitalier. Vi börjar verkligen inse vad en stor skalbaggsamlare en gång sa:

”Från en så enkel början har oändliga former, de vackraste och mest underbara, utvecklats och utvecklas”. Charles Darwin.