Idee einer eiszeitlichen „Artenpumpe“ auf den Philippinen, die durch eine neue Art des Zeichnens von Evolutionsbäumen gefördert wird

Ist die erstaunliche Biodiversität auf den Philippinen zum Teil auf steigende und fallende Meere während der Eiszeiten zurückzuführen?

Wissenschaftler haben lange angenommen, dass die einzigartige Geographie der Philippinen – gepaart mit schwankenden Meeresspiegeln – eine „Artenpumpe“ geschaffen haben könnte, die eine massive Diversifizierung ausgelöst hat, indem Gruppen von Arten auf Inseln immer wieder isoliert und dann wieder verbunden wurden. Sie nennen die Idee das „Pleistocene Aggregat Island Complex (PAIC)-Modell“ der Diversifizierung.

Aber harte Beweise, die Speziationsausbrüche mit den genauen Zeiten des Anstiegs und Abfalls des globalen Meeresspiegels in Verbindung bringen, waren bis jetzt spärlich.

Eine bahnbrechende Bayes’sche Methode und neue statistische Analysen von Genomdaten von Geckos auf den Philippinen zeigen, dass während der Eiszeiten das Timing der Gecko-Diversifizierung zum ersten Mal eine starke statistische Unterstützung für das PAIC-Modell oder „Artenpumpe“ liefert. Die Untersuchung, deren Wurzeln an der University of Kansas liegen, wurde gerade in der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Die Philippinen sind ein isolierter Archipel, der derzeit mehr als 7.100 Inseln umfasst, aber diese Zahl wurde während des Pleistozäns dramatisch reduziert, möglicherweise auf nur noch sechs oder sieben riesige Inseln“, sagte Co-Autor Rafe Brown, verantwortlicher Kurator der Abteilung Herpetologie des Biodiversitätsinstituts und Naturhistorischen Museums der KU.

„Die aggregierten Landmassen bestanden aus vielen der heutigen kleineren Inseln, die mit dem Absinken des Meeresspiegels durch trockenes Land miteinander verbunden wurden, und all das Wasser wurde in Gletschern gebunden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass diese Art der Fragmentierung und Fusion von Land, die passiert ist Da der Meeresspiegel in den letzten 4 Millionen Jahren wiederholt schwankte, bereitet dies die Voraussetzungen für einen besonderen Evolutionsprozess, der möglicherweise gleichzeitige Ansammlungen oder Speziationsausbrüche in nicht verwandten Organismen ausgelöst hat, die zu dieser Zeit vorhanden waren. In diesem Fall haben wir diese Vorhersage an zwei verschiedenen Stellen getestet Gattungen von Eidechsen, jede mit Arten, die nur auf den Philippinen zu finden sind.“

Seit Jahrzehnten sind die Philippinen eine Hochburg der Feldforschung von Biologen des Biodiversitätsinstituts der KU, wo die Autoren genetische Proben von philippinischen Geckos und anderen Tieren analysierten. Doch selbst mit der heutigen Technologie und der Fähigkeit der Wissenschaftler, Variationen im gesamten Genom zu charakterisieren, holt die Entwicklung leistungsfähiger statistischer Ansätze, die in der Lage sind, Daten im Genommaßstab zu verarbeiten, immer noch auf – insbesondere in schwierigen Fällen, wie der Aufgabe, vergangene Zeiten dieser Art zu schätzen unter Verwendung von genetischen Daten gebildet, die von heute überlebenden Populationen gesammelt wurden.

Hauptautor Jamie Oaks von der Auburn University und Co-Autor Cameron Siler von der University of Oklahoma waren beide von Brown beratene KU-Studenten. Zu ihnen gesellte sich Co-Autor Perry Wood Jr., jetzt an der University of Michigan, der kürzlich als Postdoktorand an der Auburn mit Oaks und früher an der KU mit Brown gearbeitet hat.

Zwei Jahrhunderte lang haben Naturforscher, die die Artenverteilung auf den Philippinen studierten, ausführlich über die Ideen diskutiert, debattiert und geschrieben, die hinter der modernen Artenpumpentheorie stehen, oder auf den Philippinen Vorhersagen, die jetzt das „PAIC-Paradigma“ ausmachen. In der Vergangenheit haben Forscher, die sich auf bestimmte Tiere oder Pflanzen konzentrierten, die allgemeine Idee befürwortet, aber andere äußerten sich skeptisch, weil sie bei anderen von ihnen untersuchten Arten nicht zu gelten schien.

„Im Laufe des letzten Vierteljahrhunderts wurden die spezifischen Vorhersagen des Modells mit der weit verbreiteten Verfügbarkeit genetischer Daten viel strenger, objektiver und quantitativer getestet – mit echten Daten aus natürlichen Populationen –, was einen großen Fortschritt in der philippinischen Biogeographie darstellte“, sagte Brown.

„Bei einigen Tieren und Pflanzen hielten die Vorhersagen stand. Aber bei anderen wurden dieselben Vorhersagen immer wieder verworfen, als sie mit realen Daten und angemessen strengen statistischen Methoden getestet wurden. In vielen unserer eigenen Studien an der KU, als wir Folgeerscheinungen untersuchten des PAIC-Modells in einzelne Gattungen oder Gruppen eng verwandter Arten stellten wir überrascht fest, dass das Zeitfenster der Eiszeiten nicht einmal mit einem Großteil der Artenvielfalt zusammenhängt, die wir heute vorfinden von Fledermäusen oder einer Gruppe von Fröschen stellten wir fest, dass immer weniger der heutigen Arten im Pleistozän auseinandergegangen zu sein schienen.An diesem Punkt, als sich ein Mangel an Beweisen häufte, formulierten wir die Frage irgendwie um. Wir gingen zurück zu den Daten aus all diesen früheren Studien und die Frage – über all diese verschiedenen Tiergruppen hinweg – können wir irgendeine statistische Unterstützung für die Artenbildung finden, die im pleistozänen Zeitfenster gehäuft ist? Und die Antwort kam immer wieder ‚nein‘ – bis jetzt.“

Brown sagte, der Schlüssel zum Verständnis der genomischen Beweise käme von Oaks, der begann, Geckogruppen mit einem neuen Ansatz zur Konzeption phylogenetischer Bäume zu untersuchen. Anstatt dass sich eine Art isoliert von einer anderen verzweigt – wie phylogenetische Bäume traditionell gezeichnet werden – könnte sich eine Fülle neuer Arten ungefähr zur gleichen Zeit in etwas verzweigen, das eher wie ein „Strauch“ als wie ein Baum aussieht.

„Gemeinsame Abstammung liegt allem in der Biologie zugrunde, ob es sich um eine Gensequenz, einen Virusstamm oder eine Spezies handelt“, sagte Oaks. „Jeder Verzweigungspunkt in einem phylogenetischen Stammbaum stellt eine biologische Diversifizierung dar – zum Beispiel eine Art, die in zwei divergiert. Wir sind lange davon ausgegangen, dass die Prozesse, die für diese Divergenzereignisse verantwortlich sind, jede Art im Stammbaum des Lebens isoliert betreffen. Wir wissen das jedoch schon lange zu schätzen Diese Annahme wird wahrscheinlich oft verletzt. Beispielsweise wirken sich Umweltveränderungen auf ganze Artengemeinschaften aus, nicht nur auf eine. Unser Ansatz ermöglicht es mehreren Arten, sich aufgrund eines gemeinsamen Prozesses zu diversifizieren. Dadurch sind wir jetzt besser gerüstet, Fragen zu stellen über solche Prozesse und testen Sie die Muster, die sie vorhersagen.“

Indem die Annahme unabhängiger Divergenzen gelockert wurde, unterstützten die genomischen Daten von philippinischen Geckos Muster gemeinsamer Divergenzen, wie „durch die wiederholte Fragmentierung des Archipels durch interglaziale Anstiege des Meeresspiegels vorhergesagt“, so die Forscher.

„Diese Art von Muster gemeinsamer Divergenzen kann jetzt mit unserem neuen phylogenetischen Ansatz getestet werden“, sagte Oaks. „Gekko und Cyrtodactylus sind zwei Gattungen von Geckos, die gute Testfälle sind, um nach diesen Mustern zu suchen, weil sie schon lange vor Beginn der Eiszeiten auf den Philippinen weit verbreitet waren, und wir wissen also, dass sie auf den großen Eiszeitinseln vorhanden waren, als Sie wurden durch den steigenden Meeresspiegel fragmentiert. Wir haben Informationen aus ihren Genomen verwendet, um ihre phylogenetischen Stammbäume zu rekonstruieren und auf Muster gemeinsamer Divergenzen zu testen, die von der Inselfragmentierungshypothese vorhergesagt wurden. Wir fanden Unterstützung für solche Muster, und jetzt sehen wir Beweise für die Wirkung der Gletscherzyklen, aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die gesamte phylogenetische Geschichte dieser Eidechsen mit einer komplexeren Geschichte übereinstimmt.

Da dieser Teil der „Artenpumpen“-Hypothese jetzt auf den Philippinen unterstützt wird, sagte Brown, gibt es viele andere Fälle, in denen Biogeographen denselben Ansatz verwenden könnten, um geografische oder umweltbedingte Veränderungen zu erkennen, die ähnliche Explosionen der Artenvielfalt ausgelöst haben.

„Die Idee, dass eine Barriere nicht verwandte Gruppen wie Vögel, Frösche, Eidechsen und Insekten beeinflussen könnte – möglicherweise gleichzeitig ganze Faunen beeinflussen – ist etwas, das Evolutionsbiologen schon seit langem verfolgen. Aber starke Unterstützung für ein gleichzeitiges Timing von diese Prozesse waren irgendwie schwer fassbar“, sagte Brown. „Es gibt viele Theorien über gemeinsame Mechanismen, und die Idee der ‚Artenpumpe‘ ist nur eine davon. Aber im Allgemeinen waren gemeinsame Mechanismen der Diversifizierung oder gemeinsame Artbildungsprozesse schon immer große, verlockende Themen für Evolutionsbiologen, besonders für Biogeographen.“