Frontiers in Bioinformatics: Ученые готовы завершить древо жизни приматов

В отряд Приматы входят не только наши ближайшие родственники на Земле — семь человекообразных обезьян, но и более 450 видов обезьян, лемуров, лорисов и галаго.

Приматы фантастически разнообразны: от 400-фунтовых горилл до мышиных лемуров (Microcebus) весом всего в одну унцию. Они демонстрируют одни из самых удивительных форм поведения, наблюдаемых в природе: шимпанзе «ловят» термитов в полых бревнах с помощью специально подобранных палочек, а орангутанги используют листья как перчатки, чтобы справиться с шипастыми плодами дуриана.

Это одни из самых интенсивно изучаемых видов на Земле, и все же не существует всеобъемлющей молекулярно-филогенетической гипотезы эволюционной истории приматов, которая бы обобщила схему и время всех связей приматов. Такое филогенетическое древо, используя данные о молекулярных последовательностях, позволило бы определить, когда впервые появился каждый вид или группа видов, и какие другие группы на древе являются их ближайшими родственниками.

Крупнейшее молекулярное филогенетическое древо жизни, называемое «временным древом», на сегодняшний день включает чуть более 200 видов приматов, а крупнейшее синтетическое временное древо, составленное на основе более чем 4 000 опубликованных исследований, включает едва ли вдвое больше видов, оставляя нерешенной примерно пятую часть древа жизни приматов.

Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Bioinformatics.

Почему нам нужны полные эволюционные деревья

Ценность временных эволюционных деревьев, содержащих информацию о каждом виде данного рода, невозможно преуменьшить. Хотя такие древа по своей сути привлекательны, поскольку в них отражена история эволюции, благодаря которой мы имеем современное биоразнообразие, они также являются важной основой для многих видов будущей работы. Например, таксономические и систематические усилия по каталогизации видов опираются на них для выявления новых родов. Исследования скорости эволюции и ее возможных коррелятов, таких как климат и геологические изменения, в корне связаны с филогениями, лежащими в их основе.

Такие области, как биогеография, филогеография и историческая экология, использующие временные диаграммы для изучения пространственных или экологических закономерностей, были бы невозможны без филогении. И сейчас, когда мы наблюдаем, как глобальное биоразнообразие исчезает в условиях продолжающегося вымирания, филогении являются важнейшими инструментами для определения приоритетов сохранения и оценки воздействия наших усилий по сохранению видов.

Насколько распространены полные филогении

Поскольку полные молекулярные филогении являются ценным инструментом, вас может удивить тот факт, что они, как правило, встречаются редко. В настоящее время база данных таксономии NCBI включает молекулярные последовательности для почти 500 000 видов, а TimeTree of Life, крупнейшая база данных опубликованных временных филогений, включает около 150 000 видов. Изучая коллекцию исследований, включенных в базу данных, мы обнаружили, что большинство филогений, как правило, невелики и охватывают в среднем всего 25 видов.

Эти древа — плод усилий людей, занимающихся изучением групп близкородственных организмов, таких как роды или семейства, для которых приоритетом является разрешение системы изучения, а не более широкий масштаб. Таким образом, потребность в полном древе жизни будет удовлетворена только в том случае, если мы найдем способ объединить эти усилия.

Новый путь вперед

В то время как большие, полностью синхронизированные деревья с данными о молекулярных последовательностях для всех видов встречаются редко, мы обнаружили, что материалы для их построения распространены. Например, в литературе, даже среди работ, опубликованных за последние десять лет, филогении без времени значительно превосходят филогении с временем. С помощью всего одной или нескольких калибровок они могут стать ценными компонентами глобального древа жизни.

Несмотря на то что многие виды никогда не включались в молекулярную филогению, соответствующие молекулярные данные часто хранятся в таких репозиториях, как NCBI GenBank, где информация о последовательностях ДНК находится в свободном доступе для исследователей. Эти два источника данных представляют собой фантастическую возможность для построения всеобъемлющих временных деревьев.

В ходе нескольких публикаций мы разработали подход к построению супердеревьев, включающий сборку всех опубликованных филогений с временной привязкой, включая интересующие нас виды; поиск деревьев без временной привязки, включая все оставшиеся виды, с последующей новой временной привязкой с использованием литературных консенсусных вторичных калибровок; и, наконец, сборку выравниваний de novo и, в конечном итоге, филогений с временной привязкой на основе общедоступных данных.

В ходе нашего последнего поиска было получено достаточно данных для построения нового синтетического супердерева из 455 приматов, что составляет 98% от всех, представленных в таксономии NCBI, и на 55 больше, чем уже было представлено в TimeTree. Наше новое дерево представляет собой наиболее полное описание эволюционных связей между приматами на сегодняшний день.

Завершение TimeTree of Life

Эти усилия показали, что, хотя эволюционная история даже некоторых из самых харизматичных видов на Земле остается не до конца изученной, у нас есть инструменты, чтобы заполнить этот пробел в знаниях. Мы представляем себе наш исследовательский протокол как доступный и, в конечном счете, чрезвычайно ценный инструмент в наших усилиях по пониманию эволюции. Полные временные диаграммы являются основополагающим ресурсом во многих областях, и мы обнаружили, что они часто могут быть построены на основе существующих данных.

Более того, такие полные временные диаграммы позволяют нам проверять гипотезы, которые мы не смогли бы проверить иным способом. Например, в настоящем исследовании мы проверили, можно ли объяснить количество видов в разных кладах приматов уникальными темпами видообразования, когда некоторые линии приматов создают новые виды гораздо быстрее, чем другие, или же лучшим объяснением является просто время, когда все линии создают новые виды примерно с одинаковой скоростью, а более старые линии со временем накапливают больше видов.

Мы обнаружили, что все основные группы приматов на самом деле имеют относительно схожие темпы видообразования, и поэтому их возраст лучше предсказывает видовое богатство. Этот анализ был бы весьма проблематичным, если бы в нашем временном древе не хватало многих видов или дат, поэтому он служит прекрасным примером полезности больших, полных временных древовидных таблиц.

Ранее ученые выяснили, что большинство людей одновременно верит и в бога, и в теорию эволюции.

16.12.2024