Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Para badaczy z dwóch kanadyjskich uczelni (Uniwersytetu Oregonu i Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej) wniosła właśnie ważny głos w dyskusji, jak informacja genetyczna współcześnie żyjących organizmów może pomóc w zobrazowaniu tego jak wyglądała ewolucja, jak przebiegało wymieranie i powstawanie nowych gatunków. W artykule opublikowanym w „Nature” (15 kwietnia 2020 on-line, 23 kwietnia na papierze) naukowcy przekonują, że podejście badawcze, zwane podejściem filogenetycznym, które od dawna było stosowane w dziedzinie ewolucyjnych rekonstrukcji jest obarczone poważnymi błędami, które mogły sprawić, że wiele dotychczasowych badań mijało się prawdą.

– Zadaniem paleontologii jest pokazanie jak i dlaczego wzorce bioróżnorodności zmieniały się na przestrzeni kolejnych epok geologicznych. Jednak bardzo często szczątki organizmów są zbyt wybrakowane, żeby mogły nam opowiedzieć coś ciekawego o swojej historii – tłumaczy prof. Stilianos Louca z Wydziału Biologii Uniwersytetu Oregonu. – I dlatego często sięga się po alternatywne rozwiązanie – wnioskowanie oparte na zaobserwowanych zmianach w układzie genetycznym organizmów. Pokazaliśmy jednak, że ono również może prowadzić badaczy na manowce.

– Wyniki naszych badan podważają tysiące innych procesów badawczych, opartych na drzewie filogenetycznym, które na podstawie dostępnych danych – głównie danych genetycznych współcześnie żyjących organizmów – rekonstruowały wielorodną historię różnych jednostek taksonomicznych (gatunków, rodzajów itp.) – wyjaśnia dalej prof. Louca. – Zwłaszcza dotyczy to tych przypadków, gdzie szczątki są bardzo rzadkie i tych, kiedy rekonstrukcja oparta jest na związku między czynnikami środowiskowymi, takimi jak globalne zmiany temperatury i wskaźnikami dotyczącymi wyginięcia.

Louca i Matthew W. Pennell, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w swoich badaniach przedstawili model matematycznych, który jest zupełnie nowym podejściem do budowania długoterminowych scenariuszy ewolucyjnych na podstawie danych filogenetycznych.

– Od dekady pracowałem na dotychczasowych, tradycyjnych modelach rekonstrukcyjnych – opowiada Pennell. – Mam też spore zasługi w tworzeniu oprogramowania, służącym do ustalania wskaźników różnicowania się gatunków na drzewie filogenetycznym. Na prawdę miałem wrażenie, że bardzo dobrze rozumiem, jak takie modele działają. A jednak się myliłem – przyznaje Pennell.

Dotychczas stosowane metody oparte były na pozyskiwaniu informacji o ewolucji z zebranych danych paleontologicznych oraz z tego co wiemy o wciąż żyjących organizmach. Badacze posługiwali się przy tym różnymi wariantami modelu matematycznego zwanego procesem narodzin i śmierci, którego podstawą ją informacja o przybywaniu i znikaniu jednostek według pewnego probabilistycznego mechanizmu. Tą metodą nie da się jednak wyodrębnić informacji o specjalnych cechach jednostek i taksonów, ani o mechanizmach ich wymierania, szczególnie w przypadku takich taksonów jak bakterie, które nie pozostawiły żadnych zapisów kopalnych.

Działanie typowe dla paleontologii to szacowanie liczby gatunków, które pojawiły się i zniknęły w różnych przedziałach czasowych. Dzieje się to w oparciu o znalezione szczątki i oszacowany ich minimalny i maksymalny wiek. Podejście filogenetyczne polega na pozyskiwaniu danych z relacji ewolucyjnych między istniejącymi obecnie gatunkami, głównie poprzez badanie informacji genetycznych i tworzenie z nich struktur zwanych drzewami filogenetycznymi lub „drzewami czasu”. Łączy się to z tworzeniem scenariuszy powstawania i ginięcia gatunków, które z największym prawdopodobieństwem mogą wypełniać drzewo filogenetyczne.

– Przez ostatnie dekady badań przeszłości powstała cała gama różnych metod obliczania. Mimo to do tej pory nie rozumieliśmy do końca działania tego procesu i nie mogliśmy ustalić, jakie dane jesteśmy tą metodą w stanie pozyskać, a jakie pozostaną niewyjaśnione – mówi Louca.

Modele zaproponowane przez badaczy – a właściwie modele drugiego stopnia, ponieważ są to modele dotyczące modelowania w podejściu filogenetycznym – wyjaśniają właśnie, jakie zmienne mogą być uzyskane za pomocą drzew czasu stworzonych przy użyciu matematycznego procesu narodzin i śmierci.

Badacze konkludują w swoim artykule, opublikowanym właśnie w magazynie „Nature”: Pokazujemy, że ustalanie i modelowanie konkretnych zmiennych umożliwia bardziej niezawodne badania dynamiki historycznej dywersyfikacji. Nasze badania pokazują też jasno że dane paleontologiczne nadal będą kluczowe w poszukiwaniu odpowiedzi na większość makroewolucyjnych pytań.

Wyniki zaprezentowanych badań mogą sporo namieszać w badaniach przeszłości. Warto przypomnieć, że klasyczna teoria ewolucji zaproponowana przez Darwina była w dużej części filogenetyczna – opierała się o obserwacje aktualnie żyjących gatunków i środowiska, w którym żyją, na takiej podstawie tworząc hipotezy o istnieniu i o cechach wspólnych przodków. Oczywiście, Louca i Pennell nie podważają sedna teorii ewolucji, ale stawiają znaki zapytania w jej bardzo istotnej części, dotyczącego tego jaki zakres informacji o ewolucji gatunków jest możliwy do pozyskania z badań genetycznych.

Badania źródłowe: Louca, S., Pennell, M.W. Extant timetrees are consistent with a myriad of diversification histories. Nature 580, 502–505 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2176-1

Opracowano na podstawie artykułu Researchers find flaws in how scientists build trees of life opublikowanego na portal Uniwersytetu Oregonu w Eugene