Gołąb i flaming się oddalają. Powstaje nowe drzewo genealogiczne ptaków

Jakieś 66 mln lat temu w Ziemię uderzyła gigantyczna asteroida, która doprowadziła do masowego wymierania dinozaurów. Zderzenie oznaczało zagładę większości taksonów, ale dla niektórych gromad okazało się nową szansą. I to taką, która została wykorzystana z nawiązką. Te dinozaury, które przetrwały kataklizm, doświadczyły wkrótce ewolucyjnego rozkwitu i zróżnicowały się w ponad 10 tys. gatunków ptaków. Wielu naukowców od stuleci próbuje zrozumieć, co stoi za ich ogromnym sukcesem.

Szczególnie ambitny cel postawił sobie ostatnio międzynarodowy zespół uczonych. Postanowił precyzyjnie odtworzyć całą historię ewolucji wszystkich gatunków ptaków żyjących na Ziemi i zarysować najbardziej wszechstronne drzewo genealogiczne tych zwierząt, jakie kiedykolwiek skonstruowano. To zadanie ma być częścią projektu Bird 10 000 Genomes (czyli B10K) – wieloinstytucjonalnego przedsięwzięcia kierowanego przez duński University of Copenhagen, chiński Zhejiang University oraz amerykański University of California San Diego.

Nowatorskie metody oraz superkomputer

Oczywiście pewne pojęcie na temat pokrewieństwa występującego pomiędzy poszczególnymi taksonami ptaków, a także na temat ich przeszłości ewolucyjnej uczeni mają już od dawna. Jednak dotychczasowym danym brakowało często precyzji, a część z nich – jak wynika z nowych analiz – była po prostu niepoprawna. Te bardziej aktualne informacje na temat ptasich genomów opublikowano niedawno na łamach „Nature” oraz „Proceedings of the National Academy of Sciences” (prace te wzajemnie się uzupełniają).

Przed wgłębieniem się w konkluzje, odpowiedzmy na pytanie, co odróżnia nowe analizy od tych starszych. Postęp dokonał się przede wszystkim dzięki nowocześniejszym metodom obliczeniowym, opracowanym przez uczonych z UC San Diego, a także za sprawą połączenia ich potencjału z możliwościami maszyny Expanse, działającej w Supercomputer Center należącym do tej samej uczelni. Dzięki tej synergii możliwe stało się szybkie przeanalizowanie ogromnych ilości danych dotyczących ptasich genomów bez utraty dokładności. „Bez Expanse nie bylibyśmy w stanie tego zrobić w rozsądnym czasie” – komentuje prof. Siavash Mirarab, współautor obu omawianych publikacji i szef zespołu, który opracował zestaw algorytmów kładących podwaliny pod dalsze prace.

Modele obliczeniowe (nazwane ASTRAL) opracowane przez Miraraba oraz jego współpracowniczki i współpracowników pozwoliły uczonym analizować powiązania ewolucyjne pomiędzy gatunkami z niespotykaną wcześniej skalowalnością, dokładnością oraz szybkością. Dzięki nim badacze zintegrowali dane dotyczące ponad 60 tys. regionów genomowych u różnych ptaków. Dały one solidną statystyczną podstawę do dalszych analiz. Kolejny krok polegał na zbadaniu historii ewolucji poszczególnych segmentów ptasiego genomu. Na tej podstawie zbudowali wiele pojedynczych drzew genowych, które następnie „posklejali” w jedno kompleksowe drzewo wszystkich przeanalizowanych – czyli ponad 360 – gatunków.

Poprawione pomyłki oraz elastyczność

Te skrupulatne i nowatorskie działania zaowocowały nie tylko poprawieniem precyzji dotychczasowych drzew genealogicznych. Rozstrzygnęły też kilka kwestii, które do tej pory były niepewne. Na przykład, kiedy i w jakich konfiguracjach dochodziło u niektórych taksonów do zdarzeń rozgałęziających (czyli takich, w których krewni pochodzący od tego samego przodka oddzielają się od siebie). Pozwoliły też na skorygowanie kilku wcześniejszych pomyłek. Okazało się np. że współczesne gołębie i flamingi są ze sobą znacznie mniej spokrewnione, niż dotychczas sądzono.

Sami autorzy badań uważają, że kluczem do ich sukcesu było też elastyczne podejście do badań genetycznych. Zwykle w tego typu projektach wybiera się jedną metodę analizy. Na przykład, tylko sekwencjonowanie wielu genów u nielicznych gatunków albo tylko wielu gatunków, ale z mniejszą dokładnością. Tu badacze postanowili, że zamiast wybierać metodę arbitralnie, przetestują, która sprawdza się lepiej i skutkuje większą dokładnością uzyskiwanego drzewa. Okazało się, że najbardziej obiecujące są dwie techniki, ale połączone ze sobą. „Odkryliśmy, że ważniejsze było pobranie próbek wielu sekwencji genetycznych z każdego organizmu niż pobranie mniej dokładnych danych od szerszego zakresu gatunków, chociaż ta druga metoda pomogła nam określić, kiedy poszczególne grupy ewoluowały” – powiedziała prof. Josefin Stiller z University of Copenhagen, pierwsza autorka publikacji z „Nature”.

Bezprecedensowa dokładność oraz dalekowzroczność

Efekt pracy naukowców jest spektakularny: nie tylko zobrazowali oni ewolucyjne powiązania pomiędzy setkami gatunków z 92 proc. wszystkich ptasich rodzin, ale też dokonali bezprecedensowo dokładnej rekonstrukcji filogenetycznej, sięgającej aż 93 mln lat wstecz, czyli jakieś 28 mln lat przed masowym wymieraniem dinozaurów. Poznano również wzorce ewolucji ptasich dinozaurów, które nastąpiły wkrótce po kataklizmie. Z opublikowanych danych wynika np., że po uderzeniu asteroidy u wczesnych ptaków doszło do gwałtownego wzrostu efektywnej wielkości populacji, a także do znacznego zwiększenia względnego rozmiaru ich mózgu. Ówczesne mechanizmy adaptacyjne napędzały dywersyfikację tych kręgowców. Jej skutki – ogromną różnorodność gatunków – obserwujemy do dziś.

Autorzy obu publikacji obiecują, że aktualne konkluzje to dopiero początek ich działań i pracują nad sekwencjonowaniem genomów kolejnych gatunków ptaków, tak, by włączyć do drzewa genealogicznego tych zwierząt tysiące taksonów. Udoskonalają ponadto aktualnie opracowane algorytmy: chcą uwzględniać w nich jeszcze większe zbiory danych i zamienić je w praktyczne narzędzia, które przydadzą się do rekonstrukcji drzew ewolucyjnych wielu innych zwierząt.