L’étonnante biodiversité des Philippines résulte-t-elle en partie de la montée et de la descente des mers pendant les périodes glaciaires ?
Les scientifiques ont longtemps pensé que la géographie unique des Philippines, couplée à des niveaux océaniques en dents de scie, aurait pu créer une « pompe à espèces » qui a déclenché une diversification massive en isolant puis en reconnectant encore et encore des groupes d’espèces sur les îles. Ils appellent l’idée le «modèle de complexe d’îles agrégées du Pléistocène (PAIC)» de diversification.
Mais les preuves tangibles, reliant les explosions de spéciation aux moments précis où le niveau mondial de la mer a augmenté et baissé, ont été rares jusqu’à présent.
Une méthode bayésienne révolutionnaire et de nouvelles analyses statistiques des données génomiques des geckos aux Philippines montrent que pendant les périodes glaciaires, le moment de la diversification des geckos donne pour la première fois un soutien statistique solide au modèle PAIC, ou « pompe à espèces ». L’enquête, avec des racines à l’Université du Kansas, vient d’être publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Les Philippines sont un archipel isolé, comprenant actuellement plus de 7 100 îles, mais ce nombre a été considérablement réduit, peut-être à six ou sept îles géantes, pendant le Pléistocène », a déclaré le co-auteur Rafe Brown, conservateur en charge. de la division d’herpétologie de l’Institut de la biodiversité et du Musée d’histoire naturelle de la KU.
« Les masses terrestres agrégées étaient composées de nombreuses petites îles d’aujourd’hui, qui se sont reliées entre elles par des terres sèches à mesure que le niveau de la mer baissait, et toute cette eau était retenue dans les glaciers. On a émis l’hypothèse que ce type de fragmentation et de fusion des terres, qui s’est produit alors que le niveau de la mer a fluctué à plusieurs reprises au cours des 4 derniers millions d’années, ouvre la voie à un processus évolutif spécial, qui peut avoir déclenché des grappes simultanées ou des explosions de spéciation chez des organismes non apparentés présents à l’époque. Dans ce cas, nous avons testé cette prédiction dans deux cas différents. genres de lézards, chacun avec des espèces que l’on ne trouve qu’aux Philippines. »
Pendant des décennies, les Philippines ont été un foyer de travail de terrain pour les biologistes de l’Institut de la biodiversité de KU, où les auteurs ont analysé des échantillons génétiques de geckos philippins ainsi que d’autres animaux. Cependant, même avec la technologie d’aujourd’hui et la capacité des scientifiques à caractériser la variation à travers le génome, le développement d’approches statistiques puissantes capables de gérer les données à l’échelle du génome est encore en train de rattraper son retard, en particulier dans les cas difficiles, comme la tâche d’estimer les temps passés que les espèces formé, en utilisant les données génétiques recueillies auprès des populations survivantes aujourd’hui.
L’auteur principal Jamie Oaks de l’Université d’Auburn et le co-auteur Cameron Siler de l’Université de l’Oklahoma étaient tous deux des étudiants diplômés de la KU conseillés par Brown. Ils ont été rejoints par le co-auteur Perry Wood Jr., maintenant à l’Université du Michigan, qui a récemment travaillé à Auburn avec Oaks, et plus tôt à KU avec Brown, en tant que chercheur postdoctoral.
Pendant deux siècles, les naturalistes qui ont étudié la distribution des espèces aux Philippines ont discuté, débattu et écrit abondamment sur les idées derrière la théorie moderne de la pompe à espèces, ou aux Philippines, les prédictions qui composent maintenant le « Paradigme PAIC ». Historiquement, les chercheurs se concentrant sur des animaux ou des plantes particuliers ont approuvé l’idée générale, mais d’autres ont exprimé leur scepticisme car cela ne semblait pas tenir le coup chez les autres espèces qu’ils étudiaient.
« Au cours du dernier quart de siècle, avec la disponibilité généralisée des données génétiques, les prédictions spécifiques du modèle ont été testées de manière beaucoup plus rigoureuse, objective et quantitative – avec des données réelles provenant de populations naturelles – ce qui a constitué une avancée majeure dans la biogéographie philippine », a déclaré Brown.
« Chez certains animaux et plantes, les prédictions se sont maintenues. Mais chez d’autres, lorsque les mêmes prédictions ont été testées avec des données réelles et des méthodes statistiques suffisamment rigoureuses, elles ont été rejetées à plusieurs reprises. Dans bon nombre de nos propres études à KU, lorsque nous avons examiné les corollaires du modèle PAIC dans des genres individuels ou des groupes d’espèces étroitement apparentées, nous avons été surpris de constater que la fenêtre temporelle des périodes glaciaires n’était même pas liée à une grande partie de la diversité des espèces que nous trouvons aujourd’hui. de chauves-souris, ou un groupe de grenouilles, nous avons constaté que de moins en moins d’espèces d’aujourd’hui semblaient avoir divergé au Pléistocène. À ce moment-là, avec un manque de preuves s’accumulant, nous avons en quelque sorte reformulé la question. Nous sommes retournés au données de toutes ces études antérieures et demandé – dans tous ces différents groupes d’animaux – pouvons-nous trouver un support statistique pour la formation d’espèces, regroupées dans la fenêtre temporelle du Pléistocène ? Et la réponse a continué à revenir « non » – jusqu’à maintenant.
Brown a déclaré que la clé pour comprendre les preuves génomiques venait d’Oaks, qui a commencé à examiner les groupes de geckos avec une nouvelle approche pour concevoir des arbres phylogénétiques. Au lieu qu’une espèce se ramifie d’une autre de manière isolée – comme les arbres phylogénétiques sont traditionnellement dessinés – une pléthore de nouvelles espèces pourrait se ramifier à peu près au même moment dans quelque chose qui ressemble plus à un « arbuste » qu’à un arbre.
« L’ascendance partagée sous-tend tout en biologie, qu’il s’agisse d’une séquence de gènes, d’une souche virale ou d’une espèce », a déclaré Oaks. « Chaque point de ramification sur un arbre phylogénétique représente la diversification biologique – par exemple, une espèce divergeant en deux. Nous avons longtemps supposé que les processus responsables de ces événements de divergence affectent chaque espèce sur l’arbre de la vie de manière isolée. cette hypothèse est probablement souvent violée. Par exemple, les changements environnementaux affecteront des communautés entières d’espèces, pas seulement une. Notre approche permet à plusieurs espèces de se diversifier grâce à un processus partagé. Ce faisant, nous sommes désormais mieux équipés pour poser des questions. sur ces processus et testez les modèles qu’ils prédisent. »
En assouplissant l’hypothèse de divergences indépendantes, les données génomiques des geckos philippins ont soutenu des schémas de divergences partagées, comme « prédit par la fragmentation répétée de l’archipel par les élévations interglaciaires du niveau de la mer », selon les chercheurs.
« Ce type de modèle de divergences partagées peut maintenant être testé avec notre nouvelle approche phylogénétique », a déclaré Oaks. « Gekko et Cyrtodactylus sont deux genres de geckos qui sont de bons cas de test pour rechercher ces modèles, car ils sont répandus à travers les Philippines bien avant le début des cycles glaciaires, et nous savons donc qu’ils étaient présents sur les grandes îles de la période glaciaire, lorsque ils ont été fragmentés par l’élévation du niveau de la mer. Nous avons utilisé les informations de leurs génomes pour reconstruire leurs arbres phylogénétiques et tester les modèles de divergences partagées prédits par l’hypothèse de la fragmentation des îles. Nous avons trouvé un support pour ces modèles, et maintenant nous voyons des preuves de l’effet des cycles glaciaires, mais il est important de se rappeler que l’histoire phylogénétique globale de ces lézards est cohérente avec une histoire plus complexe. »
Avec cette partie de l’hypothèse de la « pompe à espèces » désormais soutenue aux Philippines, Brown a déclaré qu’il existe de nombreux autres cas où les biogéographes pourraient utiliser la même approche pour détecter les changements géographiques ou environnementaux qui ont déclenché des explosions similaires de biodiversité.
« L’idée qu’une barrière pourrait affecter des groupes non apparentés comme les oiseaux, les grenouilles, les lézards et les insectes – pouvant avoir un impact sur des faunes entières en même temps – est quelque chose que les biologistes évolutionnistes saisissent depuis longtemps. Mais un soutien solide pour le moment simultané de ces processus ont été un peu insaisissables », a déclaré Brown. « Il existe de nombreuses théories sur les mécanismes partagés, et l’idée de » pompe à espèces « n’est que l’une d’entre elles. Mais, en général, les mécanismes communs de diversification, ou les processus partagés de spéciation, ont toujours été des sujets importants et passionnants pour les biologistes évolutionnistes, surtout pour les biogéographes. »
Jamie R. Oaks et al, Généralisation de la phylogénétique bayésienne pour déduire des événements évolutifs partagés, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2121036119