Οι «άγγελοι» των εντόμων λύνουν ένα μυστήριο 100 ετών
Η απάντηση κρυβόταν σε περισσότερα από 1.300 γονίδια
Snapshot
- Τα Zoraptera, μικροσκοπικά έντομα που μοιάζουν με τερμίτες, αποτελούν την πρώτη εξελικτική γραμμή που διαχωρίστηκε από τα υπόλοιπα σύγχρονα Polyneoptera, σύμφωνα με νέα γονιδιωματική μελέτη.
- Παλαιότερες θεωρίες που συνέδεαν τα Zoraptera με τις ψαλίδες (Dermaptera) απορρίφθηκαν λόγω του φαινομένου της έλξης μακρών κλάδων, που παραπλανούσε τις απλούστερες εξελικτικές αναλύσεις.
- Οι ψαλίδες και οι stoneflies (Plecoptera) σχηματίζουν πλέον έναν νέο εξελικτικό κλάδο, το Dermoplectopterida, που είναι αδελφός των υπόλοιπων Polyneoptera μετά τον διαχωρισμό των Zoraptera.
- Η μελέτη βασίστηκε στην ανάλυση 1.367 γονιδίων μοναδικού αντιγράφου από 89 είδη Polyneoptera, χρησιμοποιώντας προχωρημένα εξελικτικά μοντέλα που έλαβαν υπόψη διαφορετικούς ρυθμούς εξέλιξης πρωτεϊνών.
- Το επόμενο βήμα των ερευνητών είναι να συνδυάσουν το νέο γενετικό δέντρο με απολιθώματα Zoraptera και άλλων Polyneoptera για να εκτιμήσουν τον χρόνο διαχωρισμού των εξελικτικών γραμμών.
Είναι μικροσκοπικά έντομα που μοιάζουν με τερμίτες και περνούν μεγάλο μέρος της ζωής τους κρυμμένα κάτω από τον φλοιό των δέντρων ή μέσα σε ξύλο που σαπίζει. Ωστόσο, οι λεγόμενοι «άγγελοι» των εντόμων, γνωστοί ως Zoraptera, έχουν απασχολήσει επί περισσότερο από έναν αιώνα τους εξελικτικούς βιολόγους για έναν πολύ συγκεκριμένο λόγο: κανείς δεν μπορούσε να συμφωνήσει με βεβαιότητα για το πού ακριβώς ανήκουν στο γενεαλογικό δέντρο των εντόμων.
Από τότε που η τάξη Zoraptera περιγράφηκε για πρώτη φορά, το 1913, οι μελέτες που βασίστηκαν τόσο στην ανατομία όσο και στο γενετικό υλικό έδιναν αντικρουόμενα αποτελέσματα. Η διαφωνία έγινε γνωστή ως το «πρόβλημα των Zoraptera», ένα εξελικτικό μυστήριο που παρέμενε άλυτο για περίπου έναν αιώνα.
Τώρα, μια νέα γονιδιωματική μελέτη φαίνεται να δίνει μια ισχυρή απάντηση. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Proceedings of the Royal Society B, κατατάσσει τα Zoraptera ως την πρώτη εξελικτική γραμμή που διαχωρίστηκε από όλα τα υπόλοιπα σύγχρονα μέλη των Polyneoptera.
Πρόκειται για μία από τις σημαντικότερες ομάδες πτερωτών εντόμων, στην οποία ανήκουν μεταξύ άλλων οι ακρίδες, οι κατσαρίδες, οι μάντιδες, τα έντομα-ραβδιά, οι ψαλίδες και οι λιβελλούλες της τάξης Plecoptera, γνωστές ως stoneflies.
Γιατί ήταν τόσο δύσκολο να βρεθεί η θέση τους
Τα Zoraptera αποτελούν μία από τις μικρότερες και λιγότερο γνωστές τάξεις εντόμων. Μέχρι σήμερα έχουν καταγραφεί μόλις μερικές δεκάδες ζώντα είδη.
Τα μέλη της ομάδας μοιάζουν πολύ μεταξύ τους και διαθέτουν σχετικά λίγα εμφανή ανατομικά χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να τα συνδέσουν με ασφάλεια με άλλες μεγάλες ομάδες εντόμων.
Αυτό έκανε εξαιρετικά δύσκολη την ανασύσταση της εξελικτικής τους ιστορίας μόνο από τη μορφολογία τους. Ακόμη και όταν οι επιστήμονες στράφηκαν στη γενετική, το πρόβλημα δεν λύθηκε.
Στο επίκεντρο της διαμάχης βρέθηκαν δύο βασικές θεωρίες.
Η πρώτη, γνωστή ως Haplocercata-first, τοποθετούσε τα Zoraptera μαζί με τις ψαλίδες, δηλαδή την τάξη Dermaptera, και θεωρούσε αυτή την ομάδα την πρώτη που διαχωρίστηκε από τα υπόλοιπα Polyneoptera.
Η δεύτερη θεωρία, γνωστή ως Zoraptera-first, αντιμετώπιζε τα Zoraptera ως μια εντελώς ανεξάρτητη εξελικτική γραμμή, η οποία αποσπάστηκε πρώτη και στη συνέχεια ακολούθησε η διαφοροποίηση όλων των υπόλοιπων Polyneoptera.
Προηγούμενες μελέτες είχαν υποστηρίξει και τις δύο εκδοχές, ανάλογα με τα δεδομένα και τις μεθόδους ανάλυσης.
Η απάντηση κρυβόταν σε περισσότερα από 1.300 γονίδια
Για να λύσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές Chenyang Cai και Yehao Wang διεύρυναν σημαντικά τα διαθέσιμα δεδομένα.
Αλληλούχησαν και ανέλυσαν δύο νέα γονιδιώματα Zoraptera και τα συνδύασαν με τρία ήδη διαθέσιμα transcriptomes. Συνολικά, η βάση δεδομένων περιλάμβανε 89 είδη Polyneoptera και 23 είδη-ομάδες αναφοράς.
Από αυτά τα δεδομένα οι επιστήμονες απομόνωσαν 1.367 γονίδια μοναδικού αντιγράφου, δηλαδή γονίδια που μπορούν να συγκριθούν μεταξύ διαφορετικών ειδών επειδή προέρχονται από κοινή εξελικτική καταγωγή.
Στη συνέχεια δημιούργησαν έξι διαφορετικά σύνολα δεδομένων και τα ανέλυσαν χρησιμοποιώντας πολλαπλά εξελικτικά μοντέλα.
Το αποτέλεσμα είχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον.
Τα απλούστερα μοντέλα μπορούσαν να αναπαράγουν την παραδοσιακή θεωρία που συνέδεε τα Zoraptera με τις ψαλίδες. Όταν όμως οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πιο σύνθετα μοντέλα, τα οποία λαμβάνουν υπόψη το γεγονός ότι διαφορετικές θέσεις στις πρωτεϊνικές ακολουθίες μπορούν να εξελίσσονται με διαφορετικούς τρόπους, η εικόνα άλλαξε.
Η θεωρία Haplocercata-first κατέρρευσε.
Τα Zoraptera εμφανίστηκαν ως η αρχαιότερη εξελικτική γραμμή των Polyneoptera.
Ένα εξελικτικό «τρικ» μπέρδευε τους επιστήμονες
Ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα της μελέτης ήταν ότι το προηγούμενο σήμα υπέρ της σύνδεσης Zoraptera και ψαλιδών πιθανότατα οφειλόταν σε ένα γνωστό πρόβλημα της εξελικτικής γενετικής: την έλξη μακρών κλάδων (long-branch attraction).
Το φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει λανθασμένη ομαδοποίηση εξελικτικά μακρινών οργανισμών όταν παρουσιάζουν πολύ γρήγορους ρυθμούς γενετικής αλλαγής.
Τα Zoraptera εμφανίζουν τόσο υψηλούς ρυθμούς εξέλιξης όσο και ασυνήθιστη σύνθεση αμινοξέων. Ο συνδυασμός αυτών των χαρακτηριστικών μπορούσε να δημιουργήσει μια παραπλανητική εικόνα στα απλούστερα εξελικτικά μοντέλα.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν στη συνέχεια μια σειρά πρόσθετων ελέγχων. Συνέκριναν στατιστικά τις διαφορετικές πιθανές εξελικτικές σχέσεις, αφαίρεσαν τυχαία γονίδια μέσω της λεγόμενης gene jackknifing, απέκλεισαν γονίδια με ιδιαίτερα γρήγορη εξέλιξη και χρησιμοποίησαν τη μέθοδο ASTRAL, η οποία λαμβάνει υπόψη ότι η εξελικτική ιστορία ενός μεμονωμένου γονιδίου δεν είναι πάντοτε ίδια με εκείνη ολόκληρου του είδους.
Το αποτέλεσμα παρέμεινε σταθερό.
Όταν χρησιμοποιήθηκαν γονίδια που εξελίσσονται πιο αργά, η σύνδεση Zoraptera-ψαλιδών εξαφανίστηκε. Παράλληλα, οι ανεξάρτητες αναλύσεις εξακολούθησαν να υποστηρίζουν τη θεωρία Zoraptera-first.
«Τα Zoraptera αποτελούν τον πρώτο διαχωρισμό από όλα τα υπόλοιπα Polyneoptera», συνόψισαν οι Wang και Cai.
Οι ψαλίδες βρέθηκαν τελικά κοντά στις stoneflies
Η απομάκρυνση των Zoraptera από τις ψαλίδες άλλαξε επίσης τη συνέχεια του εξελικτικού δέντρου.
Οι ψαλίδες (Dermaptera) και οι stoneflies (Plecoptera) εμφανίστηκαν μαζί σε έναν νέο εξελικτικό κλάδο, γνωστό ως Dermoplectopterida.
Η συγκεκριμένη ομάδα βρέθηκε ως αδελφή εξελικτική γραμμή των υπόλοιπων Polyneoptera, μετά τον πρώιμο διαχωρισμό των Zoraptera.
Η ίδια εικόνα επιβεβαιώθηκε τόσο από τις αναλύσεις που βασίστηκαν στο multispecies coalescent όσο και από τις δοκιμές gene jackknifing.
Το επόμενο βήμα θα πάει εκατομμύρια χρόνια πίσω
Η νέα μελέτη φαίνεται να λύνει ένα από τα παλαιότερα προβλήματα στην εξελικτική ταξινόμηση των εντόμων, όμως οι ερευνητές θέλουν τώρα να προσθέσουν και το στοιχείο του χρόνου.
Το επόμενο στάδιο είναι να συνδυάσουν το νέο γενετικό «οικογενειακό δέντρο» με απολιθώματα Zoraptera που έχουν διατηρηθεί σε κεχριμπάρι, αλλά και με απολιθώματα άλλων Polyneoptera.
Με αυτόν τον τρόπο θα επιχειρήσουν να υπολογίσουν πότε ακριβώς διαχωρίστηκαν οι μεγάλες εξελικτικές γραμμές αυτής της αρχαίας ομάδας εντόμων.
Έτσι, ένα από τα πιο παράξενα και δυσδιάκριτα έντομα του πλανήτη μπορεί τελικά να αποδειχθεί ένα από τα σημαντικότερα «κλειδιά» για την κατανόηση της πρώιμης εξέλιξης των σύγχρονων εντόμων.
