Eine neue Möglichkeit, die Evolutionsgeschichte des Lebens auf der Erde abzubilden

In einem neuen Artikel veröffentlicht In Grenzen in der Bioinformatikhaben die Biologen Dr. Jack M Craig, Dr. Blair Hedges und Dr. Sudhir Kumar, alle von der Temple University, einen Evolutionsstammbaum erstellt, der 455 Primaten umfasst, jede Art, für die genetische Daten verfügbar sind. Der Baum, der vollständigste seiner Art, zeigt die evolutionäre Zeitskala der gesamten Ordnung der Primaten, einschließlich Affen, Menschenaffen, Lemuren, Loris und Galagos.

Im folgenden Gastbeitrag beschreibt Dr. Craig die Schritte zur Erstellung eines nahezu vollständigen Zeitbaums für Primaten und erklärt den Wert solcher Daten:

Die Ordnung der Primaten besteht nicht nur aus unseren nächsten Verwandten auf der Erde, den sieben Menschenaffen, sondern auch aus über 450 Affen-, Lemuren-, Loris- und Galagoarten. Primaten sind unglaublich vielfältig, von 400-Pfund-Gorillas bis hin zu Mausmakis (Microcebus), die nur eine Unze wiegen. Sie zeigen einige der bemerkenswertesten Verhaltensweisen, die in der Natur beobachtet werden; Schimpansen „fischen“ mit speziell ausgewählten Stöcken in hohlen Baumstämmen nach Termiten, während Orang-Utans Blätter als Handschuhe verwenden, um mit stacheligen Durianfrüchten umzugehen.

Sie gehören zu den am intensivsten untersuchten Arten auf der Erde, und dennoch gibt es keine umfassende molekulare phylogenetische Hypothese zur Evolutionsgeschichte der Primaten, die das Muster und den Zeitpunkt aller Primatenbeziehungen zusammenfasst.

Ein solcher phylogenetischer Baum würde molekulare Sequenzdaten verwenden, um uns zu sagen, wann die einzelnen Arten oder Artengruppen zum ersten Mal auftauchten und welche anderen Gruppen im Baum ihre nächsten Verwandten sind. Der größte zeitgesteuerte molekulare phylogenetische Baum des Lebens, „Zeitbaum“ genannt, umfasst bis heute etwas mehr als 200 Primatenarten, während der größte synthetische Zeitbaum, der aus über 4.000 veröffentlichten Studien stammt, kaum doppelt so viele Arten umfasst, sodass etwa ein Fünftel der Primatenarten übrig bleiben Baum des Lebens ungelöst.

Warum wir vollständige Evolutionsbäume brauchen

Der Wert zeitgesteuerter Evolutionsbäume, die alle Arten einer bestimmten Abstammungslinie enthalten, kann nicht unterschätzt werden. Während solche Bäume an sich schon überzeugend sind, da sie die Evolutionsgeschichte widerspiegeln, die uns unsere heutige Artenvielfalt beschert hat, bilden sie auch eine wesentliche Grundlage für viele Arten zukünftiger Arbeit.

Beispielsweise stützen sich taxonomische und systematische Bemühungen zur Katalogisierung von Arten auf sie, um neue Abstammungslinien zu identifizieren. Studien zur Geschwindigkeit der Evolution und ihren möglichen Korrelationen wie Klima und geologischen Veränderungen hängen grundsätzlich mit der ihnen zugrunde liegenden Phylogenie zusammen.

Bereiche wie Biogeographie, Phylogeographie und historische Ökologie, die Zeitbäume zur Untersuchung räumlicher oder ökologischer Muster verwenden, wären ohne eine Phylogenie unmöglich. Und während wir zusehen, wie die globale Artenvielfalt im Zuge anhaltender Artensterben schwindet, sind Phylogenien wesentliche Instrumente zur Ermittlung von Schutzprioritäten und zur Bewertung der Auswirkungen unserer Bemühungen zur Erhaltung von Arten.

Wie häufig sind vollständige Phylogenien?

Da umfassende molekulare Phylogenien wertvolle Werkzeuge sind, mag es eine Überraschung sein zu erfahren, dass sie eher selten sind. Die NCBI-Taxonomiedatenbank umfasst derzeit molekulare Sequenzen für fast 500.000 Arten Der Zeitbaum des Lebensdie größte Datenbank veröffentlichter zeitgesteuerter Phylogenien, umfasst etwa 150.000 Arten.

Bei der Untersuchung der in der Datenbank enthaltenen Studiensammlung haben wir festgestellt, dass die meisten Phylogenien eher klein sind und im Durchschnitt nur 25 Arten umfassen. Diese Bäume sind das Ergebnis der Bemühungen von Menschen, die sich der Untersuchung von Gruppen eng verwandter Organismen wie Gattungen oder Familien widmen und der Auflösung in ihrem Studiensystem Vorrang vor einem größeren Maßstab einräumen. Daher kann der Bedarf an einem vollständigen Lebensbaum nur dann gedeckt werden, wenn wir einen Weg finden, diese Bemühungen zu bündeln.

Ein neuer Weg nach vorn

Während große, vollständig zeitgesteuerte Bäume mit molekularen Sequenzdaten für alle Arten selten sind, haben wir herausgefunden, dass die Materialien, aus denen sie gebaut werden, üblich sind. Zum einen gibt es in der Literatur deutlich mehr Phylogenien ohne Zeitangabe als solche mit Zeitangabe, selbst unter den in den letzten zehn Jahren veröffentlichten Arbeiten. Mit nur einer oder wenigen Kalibrierungen können sie zu wertvollen Bestandteilen des globalen Zeitbaums des Lebens werden.

Obwohl viele Arten nie in eine molekulare Phylogenie einbezogen wurden, sind entsprechende molekulare Daten häufig in Repositorien wie der NCBI GenBank hinterlegt, wo DNA-Sequenzinformationen für Forscher frei zugänglich sind. Diese beiden Datenquellen stellen eine fantastische Möglichkeit dar, umfassende Zeitbäume zu erstellen.

Im Laufe mehrerer Veröffentlichungen haben wir einen Supertree-Building-Ansatz entwickelt, der die Zusammenstellung aller veröffentlichten, zeitgesteuerten Phylogenien einschließlich der Arten von Interesse umfasst; eine Suche nach nicht zeitgesteuerten Bäumen, einschließlich aller verbleibenden Arten, gefolgt von einer neuartigen Zeitmessung unter Verwendung sekundärer Kalibrierungen im Literaturkonsens; und schließlich die Zusammenstellung von De-novo-Alignments und letztendlich zeitlich festgelegten Phylogenien auf der Grundlage öffentlich verfügbarer Daten.

Bei unserem jüngsten Versuch deckte diese Suche genügend Daten auf, um einen neuen synthetischen Superbaum von 455 Primaten zu erstellen, 98 % aller in der NCBI-Taxonomie vorkommenden Primaten und 55 mehr, als bereits in TimeTree vorhanden waren. Unser neuer Zeitbaum stellt die bisher vollständigste Beschreibung der evolutionären Beziehungen zwischen Primaten dar.

Vervollständigung des Zeitbaums des Lebens

Diese Bemühungen haben gezeigt, dass die Evolutionsgeschichte selbst einiger der charismatischsten Arten auf der Erde zwar noch unvollständig verstanden ist, wir jedoch über die Werkzeuge verfügen, um einen Großteil dieser Wissenslücke zu schließen. Wir stellen uns unser Forschungsprotokoll als ein zugängliches und letztendlich äußerst wertvolles Werkzeug für unsere Bemühungen vor, die Evolution zu verstehen. Vollständige Zeitbäume sind in vielen Bereichen eine grundlegende Ressource, und wir haben festgestellt, dass sie oft aus vorhandenen Daten erstellt werden können.

Darüber hinaus ermöglichen uns solche vollständigen Zeitbäume, Hypothesen zu testen, die wir sonst nicht testen könnten. In der vorliegenden Studie haben wir beispielsweise getestet, ob die Anzahl der Arten in verschiedenen Primatengruppen besser durch einzigartige Artbildungsraten erklärt werden kann, wobei einige Primatenlinien viel schneller neue Arten hervorbringen als andere, oder ob die beste Erklärung einfach die Zeit ist Alle Abstammungslinien bringen ungefähr im gleichen Tempo neue Arten hervor, und ältere Abstammungslinien bringen mit der Zeit mehr Arten hervor.

Wir fanden heraus, dass die großen Primatengruppen tatsächlich alle relativ ähnliche Artbildungsraten aufwiesen und dass ihr Alter daher ein besserer Indikator für ihren Artenreichtum war. Diese Analyse wäre ziemlich problematisch, wenn uns viele Arten oder Daten in unserem Zeitbaum fehlen würden, daher dient sie als perfektes Beispiel für die Nützlichkeit großer, vollständiger Zeitbäume.