Evoluční historie primátů: výzvy spojené s konstrukcí fylogenetického stromu
Řád primátů zahrnuje nejen naše nejbližší příbuzné na Zemi – sedm lidoopů, ale také více než 450 druhů opic, lemurů, outloňů a galagosů.
Primáti jsou fantasticky rozmanití, od goril vážících 400 kg až po lemury myší (Microcebus) vážící XNUMX gramů. Projevují některé z nejúžasnějších způsobů chování, jaké lze v přírodě pozorovat: šimpanzi „chytají“ termity v dutých kládách speciálně navrženými tyčemi a orangutani používají listy jako rukavice k manipulaci s ostnatými plody durianu.
Patří mezi nejintenzivněji studované druhy na Zemi, přesto neexistuje žádná komplexní molekulárně fylogenetická hypotéza pro evoluční historii primátů, která by shrnovala vzorec a načasování všech vztahů primátů. Takový fylogenetický strom, využívající data molekulárních sekvencí, by určil, kdy se každý druh nebo skupina druhů poprvé objevila a které další skupiny na stromě jsou jejich nejbližšími příbuznými.
Největší molekulární fylogenetický strom života, nazývaný „strom času“, v současnosti zahrnuje něco málo přes 200 druhů primátů a největší syntetický strom času, sestavený z více než 4 000 publikovaných studií, zahrnuje sotva dvakrát tolik druhů, takže zhruba pětina stromu života primátů zůstává nevyřešena.
Výsledky jsou publikovány v časopise Hranice bioinformatiky.
Proč potřebujeme kompletní evoluční stromy
Hodnotu provizorních evolučních stromů obsahujících informace o každém druhu v daném rodu nelze podceňovat. I když jsou takové stromy ze své podstaty atraktivní, protože poskytují historii evoluce, která vedla k moderní biodiverzitě, poskytují také důležitý základ pro mnoho typů budoucí práce. Například taxonomické a systematické úsilí o katalogizaci druhů se na ně spoléhá při identifikaci nových rodů. Studie rychlosti evoluce a jejích možných korelátů, jako jsou klimatické a geologické změny, jsou zásadně spojeny s fylogenezemi, které jsou jejich základem.
Oblasti jako biogeografie, fylogeografie a historická ekologie, které využívají časové historie ke studiu prostorových nebo ekologických vzorců, by bez fylogeneze nebyly možné. A vzhledem k tomu, že sledujeme, jak globální biodiverzita mizí tváří v tvář pokračujícímu vymírání, jsou fylogeneze nezbytnými nástroji pro stanovení priorit ochrany přírody a posouzení dopadu našeho ochranářského úsilí.
Jak běžné jsou úplné fylogeneze?
Protože kompletní molekulární fylogeneze jsou tak cenným nástrojem, možná vás překvapí, že jsou obecně vzácné. Taxonomická databáze NCBI v současné době obsahuje molekulární sekvence pro téměř 500 000 druhů a TimeTree of Life, největší databáze publikovaných časových fylogenezí, zahrnuje přibližně 150 000 druhů. Při zkoumání souboru studií zahrnutých v databázi jsme zjistili, že většina fylogenezí bývá malá a zahrnuje průměrně pouze 25 druhů.
Tyto stromy života jsou výsledkem úsilí lidí studujících skupiny blízce příbuzných organismů, jako jsou rody nebo čeledi, pro které je prioritou řešení studijního systému spíše než širší měřítko. Potřeba kompletního stromu života bude tedy uspokojena pouze tehdy, pokud najdeme způsob, jak toto úsilí spojit.
Nová cesta vpřed
I když jsou velké, plně synchronizované stromy s daty molekulárních sekvencí pro všechny druhy vzácné, zjistili jsme, že materiály pro jejich sestavení jsou běžné. Například v literatuře, a to i mezi články publikovanými v posledním desetiletí, fylogeneze bez času výrazně převyšují fylogeneze s časem. S pouhou jednou nebo několika kalibracemi by se mohly stát cennými součástmi globálního stromu života.
Ačkoli mnoho druhů nikdy nebylo zahrnuto do molekulární fylogeneze, relevantní molekulární data jsou často uložena v repozitářích, jako je NCBI GenBank, kde jsou informace o sekvenci DNA volně dostupné výzkumníkům. Tyto dva zdroje dat poskytují fantastickou příležitost pro konstrukci komplexních časových stromů.
V průběhu několika publikací jsme vyvinuli přístup ke konstrukci superstromů, který zahrnoval sestavení všech publikovaných časově referenčních fylogenezí včetně sledovaných druhů; nalezení časově nereferenčních stromů včetně všech zbývajících druhů, následované novým časovým zaměřením s využitím sekundárních kalibrací založených na konsensuální literatuře; a nakonec sestavení de novo zarovnání a nakonec časově referenčních fylogenezí z veřejně dostupných dat.
Naše poslední vyhledávání přineslo dostatek dat k vytvoření nového syntetického superstromu 455 primátů, což představuje 98 % všech primátů zastoupených v taxonomii NCBI a o 55 více, než kolik jich bylo již zastoupeno v TimeTree. Náš nový strom představuje dosud nejúplnější popis evolučních vztahů mezi primáty.
Dokončení časuStrom života
Toto úsilí ukázalo, že ačkoli evoluční historie i některých z nejcharismatičtějších druhů na Zemi zůstává neúplně pochopena, máme nástroje k zaplnění této mezery ve znalostech. Náš výzkumný protokol si představujeme jako přístupný a v konečném důsledku mimořádně cenný nástroj v našem úsilí o pochopení evoluce. Úplné časové osy jsou základním zdrojem v mnoha oblastech a zjistili jsme, že je lze často sestavit z existujících dat.
Navíc nám takové kompletní časové osy umožňují testovat hypotézy, které bychom jinak nebyli schopni testovat. Například v této studii jsme testovali, zda lze počet druhů v různých kladech primátů vysvětlit jedinečnou rychlostí speciace, kdy některé linie primátů vytvářejí nové druhy mnohem rychleji než jiné, nebo zda je nejlepším vysvětlením jednoduše načasování, kdy všechny linie vytvářejí nové druhy zhruba stejnou rychlostí a starší linie v průběhu času akumulují více druhů.
Zjistili jsme, že všechny hlavní skupiny primátů mají ve skutečnosti relativně podobné míry speciace, a proto je jejich věk lepším prediktorem druhové bohatosti. Tato analýza by byla velmi problematická, pokud by našemu časovému stromu chybělo mnoho druhů nebo dat, takže slouží jako skvělý příklad užitečnosti velkých, kompletních časových stromů.
Vědci dříve zjistili, že většina lidí současně věří v Boha i v evoluční teorii.