Wenn ein Schmetterling mit den Flügeln schlägt, wird dieser Baum nutzlos?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Niu Jingwei

Hersteller: China Science Expo

Schmetterlinge sind wunderschöne Elfen, die oft Pflanzen umgeben. Wenn wir die Blumen und Blätter bewundern, können wir oft viele wunderschöne Schmetterlinge sehen, die zwischen den Blumen auf und ab fliegen.

Wenn Menschen die Schönheit von Schmetterlingen beschreiben, verwenden sie oft das Wort „Blumenschmetterling“. Doch als Wissenschaftler die evolutionären Beziehungen der Schmetterlinge untersuchten, stellten sie fest, dass Schmetterlinge nicht nur farbenfroh aussehen; ihre evolutionären Beziehungen sind sogar noch „blumiger“.

Die Blume der Evolution

Wenn Sie an die Evolution denken, kommt Ihnen dieses Bild in den Sinn?

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Dieses Bild zeigt den Evolutionsprozess des Menschen.

Was also ist Evolution? Die Antwort, die uns in den Biologielehrbüchern gegeben wird, lautet: Evolution bezieht sich auf die Veränderungen in der genetischen Zusammensetzung einer biologischen Population während einer langfristigen natürlichen Evolution. Das Ergebnis der Evolution ist die Entstehung von mehr Arten und einer größeren Zahl von Nachkommen sowie die Fähigkeit dieser Organismen, sich besser an veränderte Umgebungen anzupassen.

Dies bedeutet, dass sich Organismen im Laufe des Evolutionsprozesses nicht nur in eine Richtung entwickeln, genauso wie sich aus den Uraffen nicht nur der Mensch entwickelt, sondern auch andere, dem Menschen ähnliche Arten.

Ähnlich wie beim Stammbaum verwenden Wissenschaftler in der wissenschaftlichen Forschung normalerweise binäre Evolutionsbäume , um diese evolutionäre Beziehung zu beschreiben. Wenn Sie binäre Bäume erwähnen, wandern Ihre Gedanken dann vom biologischen Bereich in den Computerbereich? Keine Sorge, dieser Binärbaum ist nicht jener Binärbaum.

Beispiel für ein binäres Verzweigungsdiagramm

(Bildquelle: vom Autor handgezeichnet)

Der einzige Ausgangspunkt für alle Zweige an der Spitze eines Binärbaums wird als Wurzel bezeichnet. Ausgehend von der Wurzel verzweigt sich jeder Punkt (auch Knoten genannt) in zwei Zweige (auch Teilbäume oder Klade genannt), und das Ende des Baums wird als Blattknoten bezeichnet.

Wenn nur diese Strukturen vorhanden sind, kann man nur von einem binären Baum sprechen, nicht von einem phylogenetischen Baum. Nur wenn wir dieser Struktur eine biologische Bedeutung geben, können wir von einem Evolutionsbaum sprechen: Jeder Blattknoten des Baums stellt eine biologische Gruppe dar, beispielsweise den Menschen. ein interner Knoten stellt einen hypothetischen Vorfahren dar, der in der Geschichte existierte, aber oft ausgestorben ist; Der Wurzelknoten stellt den gemeinsamen Vorfahren aller Gruppen dar.

Im Laufe der langen Geschichte spiegelt sich die Differenzierung der Organismen in einem binären Baum als Knoten wider. Verschiedene Differenzierungsrichtungen sind wie an Knotenpunkten entstehende Verzweigungen, die neue Merkmale bilden und langsam Mutationen ansammeln, bis neue Stämme oder sogar Arten entstehen.

Aber manchmal ist die Evolution nicht so einfach wie eine binäre Verzweigung.

Einfache evolutionäre Verzweigungsmethoden wie binäre Bäume implizieren die Unveränderlichkeit des genetischen Materials der Art selbst – sofern kein Differenzierungsereignis stattfindet, bleibt das genetische Material unverändert. Dies steht auch im Einklang mit der allgemeinen Bedeutung von Darwins Evolutionstheorie: Solange es keine genetische Variation gibt und nur die Stärksten überleben, werden sich die Ergebnisse der Evolution nicht zeigen.

Doch die Idee, diese Erzählung in Frage zu stellen, entstand erstmals vor drei Jahrhunderten. Carl von Linné (ja, er ist der Vater der binären Nomenklatur, der Vorläufer der Pflanzenklassifizierung, der schwedische Botaniker, der im 18. Jahrhundert lebte, Carl von Linné) hat einmal die positive Idee geäußert, dass natürliche Hybridisierung die biologische Evolution fördert. Allerdings fanden Linnés Gedanken zur Evolution damals nicht die gleiche Anerkennung wie sein Ruf als „Vater der binären Nomenklatur“.

Linnaeus

(Bildquelle: Wikipedia)

Auch Darwin, der im 19. Jahrhundert geboren wurde, stand Linné gegenüber neutral. Das ist nicht schwer zu verstehen: In der Vergangenheit waren Biologen und die Öffentlichkeit hinsichtlich der Hybridisierung nicht optimistisch. Man ging allgemein davon aus, dass diese Hybrid-Individuen im Wettbewerb ausscheiden würden, weil sie mit der vorherigen Art „inkompatibel“ seien. Eine andere Ansicht geht jedoch davon aus, dass Hybridisierung weitaus häufiger vorkommt als angenommen und wirksam Rohstoffe für die natürliche Selektion liefern kann.

Hier ist eine besondere Ergänzung erforderlich: Die Rolle der Hybridisierung in der biologischen Evolution und Populationsdifferenzierung war schon immer ein Schwerpunkt der Debatte unter Biologen. Frühere Erkenntnisse gingen auch davon aus, dass Hybridisierung die Differenzierung und Anpassung der Population an die Umwelt behindern würde. Erst Mitte des letzten Jahrhunderts wurde die Theorie der Populationsgenetik allmählich zur Kerntheorie der Evolutionsbiologie. Mit der Entwicklung der Technologie stützen immer mehr Forschungsergebnisse das Argument, dass die Hybridisierung den Grad der Populationsdifferenzierung erhöhen und die biologische Evolution fördern wird .

Ein Artikel, der 2019 auf dem Cover des führenden Wissenschaftsmagazins Science erschien, versetzte der traditionellen Sichtweise des binären Evolutionsbaums einen schweren Schlag: Als die Forscher den Evolutionsbaum der Arten der Gattung Heliconius erstellten, probierten sie viele verschiedene Methoden aus, konnten jedoch keinen geeigneten Binärbaum erstellen und keine wirksame Binärbaumbeziehung herstellen.

Spheniscus

(Bildquelle: Wikipedia)

Die Antwort wurde erst gefunden, als der Autor sich vom rein binären Baumrahmen löste und versuchte, ein Netzwerk systematischer evolutionärer Beziehungen aufzubauen.

Was ist los?

Als die Autoren repräsentative Proben mehrerer wichtiger Gruppen innerhalb der Gattung Lycoris in Dreiergruppen aufteilten, diese mischten und zusammenführten und alle auf etwaige „Verwandtschaften“ untereinander testeten, identifizierten sie schließlich 13 Introgressionssignale. (Introgression bezeichnet den Genfluss zwischen zwei Schmetterlingsarten. Das Vorhandensein von Introgressionssignalen weist auf einen Genfluss hin, und die häufigste Form des Genflusses ist natürlich die Hybridisierung.)

Ein Beispiel für die Übersetzung dieser Passage in Laiensprache ist folgendes:

Die Schmetterlingsgruppen A und B kreuzten sich und das genetische Material der Hybriden enthielt einige Gene, die ursprünglich in keiner der beiden Gruppen vorhanden waren. Wären diese Gene für das Überleben der Schmetterlinge schädlich, würden die Hybriden durch natürliche Selektion schnell eliminiert und es könnte kein genetischer Austausch nachgewiesen werden.

Es gibt aber auch Fälle, in denen der Hybridnachwuchs C von A und B eine bessere Anpassungsfähigkeit als seine Eltern hat oder durch Zufall einen Lebensraum findet, der für das Überleben von C gerade noch geeignet ist und keine Konkurrenz durch andere Schmetterlinge besteht. Dann entsteht eine neue Schmetterlingsgruppe.

Schmetterlinge vom Typ C selbst sind nicht so „konventionell“. Sie können sich auch mit anderen Schmetterlingsgruppen (einschließlich ihrer Elterngruppen A und B) kreuzen. Wenn C-Schmetterlinge und ihre Elterngruppen beginnen, sich zu kreuzen und neue Schmetterlingsgruppen hervorzubringen, werden ihre evolutionären Beziehungen auf dem Evolutionsbaum zu einer Netzwerkstruktur wie der unten gezeigten.

Beispiele für Hybridisierungsbeziehungen in der Gattung Spheniscus

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Mittlerweile kann der traditionelle binäre Evolutionsbaum diesen neuen Beziehungstyp nicht mehr abdecken. Als andere Gruppen dies sahen, fragten sie sich, ob da wirklich etwas Gutes vor sich ging. Wir dürfen nicht zurückfallen! Dadurch wurde nicht nur das Schicksal der Hybridnachkommen komplizierter, sondern auch der Evolutionsbaum wurde immer komplizierter.

Retikuliertes Evolutionsdiagramm der Gattung Sphenodon

(Bildquelle: Referenz [2])

Wie in der Abbildung oben gezeigt, stellt in den endgültigen Erkennungsergebnissen der netzartigen Zweige der Gattung Schizophyllum die schwarze durchgezogene Linie die Simulation der binären Evolutionsbeziehung dar und die farbige gepunktete Linie stellt das Introgressionssignal dar, das einfach als die Situation verstanden werden kann, in der eine Hybridisierung auftritt. Auf dem Bild können wir deutlich erkennen, dass in der Gattung Schizophyllum eine offensichtliche Kreuzung stattgefunden hat, die die netzartige Hybridisierungsspur der Gattung Schizophyllum darstellt.

Tatsächlich kann diese Art von „Hybridisierungsbeziehung“ bei Organismen in jedem Stadium der Evolution auftreten. Nachdem wir uns von der traditionellen Beschränkung der Einbahndifferenzierung gelöst hatten, stellten wir fest, dass Schmetterlinge tatsächlich an jedem Differenzierungsknotenpunkt mit Schmetterlingsgruppen kreuzen können, bei denen es noch nicht zu einer reproduktiven Isolation gekommen ist. Diese evolutionäre Beziehung, bei der jeder Punkt nach außen ausstrahlen kann, wird als „netzartige Evolution“ bezeichnet .

Schockierend! Artenbeziehungen sind so vielfältig

Die netzartige Evolution hat zusammen mit vielen anderen Differenzierungsereignissen dazu geführt, dass sich die Schmetterlinge heute in Zehntausende verschiedener Arten mit unterschiedlicher Mimikry, Mustern, Körperhaltungen und Formen entwickeln. Die schlanken und zerbrechlichen Schmetterlinge können sich außerdem besser an die Umgebung zwischen Blumen und Wäldern anpassen und werden als „fliegende Blumen“ bezeichnet.

Tatsächlich gibt es diese Art von Netzwerk-Hybridbeziehung nicht nur in der Gattung Spheniscus. Wir können viele Beispiele für diese Art der retikulären Evolution in den uns bekannten Pflanzen finden:

(1) Strahlengriffel, Actinidiaceae

Abbildung 4: Evolutionäre Beziehungen innerhalb der Gattung Actinidia

(Bildquelle: Referenz [3])

Forscher des Südchinesischen Botanischen Gartens der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Botanischen Gartens Wuhan haben gemeinsam 40 Forschungsproben von 25 repräsentativen Kiwisorten untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass es in dieser Gattung einen umfangreichen netzartigen Hybrid-Genfluss gab. Sogar innerhalb einiger Kiwifruchtgruppen kommt es zu komplexeren wiederholten retikulären Hybridisierungsereignissen, die ein einzigartiges zweistufiges retikuläres Evolutionsmuster zeigen.

Dieses komplexe Netzwerk aus Hybridisierungsbeziehungen hat die schnelle Bildung der aktuellen reichhaltigen Artenphänotypen der Pflanzen dieser Gattung gefördert, was sich positiv auf die genetische Vielfalt der Art auswirkt.

(2) Bambusoideae

Abbildung 5: Krautiger Bambus und Holzbambus

(Bildquelle: Referenz [4])

Noch erstaunlicher ist die Entwicklung des Bambus. In den zig Millionen Jahren der Evolutionsgeschichte haben Pflanzen der Unterfamilie Bambus nicht nur mehrere Runden der retikulären Evolution durchlaufen, sondern auch mehrere Chromosomenpolyploidisierungen erfahren! Das Ergebnis ist, dass sich Bambus vom „niedlichen kleinen“ krautigen Bambus seiner Vorfahren zu den heutigen robusten, holzigen, hohen Bambusstangen entwickelt hat und von seiner früheren krautigen Form, die jedes Jahr blühte, zu einem neuen „mysteriösen Muster“, bei dem es bis zu hundert Jahre dauern kann, bis er blüht.

Im Vergleich zu Schmetterlingen spielt die retikuläre Evolution in der Pflanzenevolution eine wichtigere Rolle. Schließlich sind Pflanzen nicht wie Tiere, die einfach weglaufen können, wenn sie auf eine Umgebung stoßen, die ihnen nicht gefällt. Diese Ereignisse der retikulären Hybridisierung machen die evolutionären Beziehungen der Pflanzen äußerst komplex. Wenn sie mit unterschiedlichen Umgebungen konfrontiert werden, können sie durch „Spaltungen“ neue evolutionäre Möglichkeiten erhalten und sich zu farbenfrohen Arten entwickeln.

Binärbaum – nicht umfassend, aber nützlich

Wir haben bereits erwähnt, dass es bei den meisten Arten im Laufe des Evolutionsprozesses zu Hybridisierungen kommt, die als retikuläre Evolution bezeichnet werden. Allerdings handelt es sich bei den Evolutionsbeziehungsdiagrammen, die derzeit in der wissenschaftlichen Forschung häufig verwendet werden, immer noch um binäre Evolutionsbäume.

Warum ist das so? Warum scheinen Wissenschaftler Überlegungen zur Artenhybridisierung selektiv zu ignorieren?

Tatsächlich liegt es nicht daran, dass die Menschen die Möglichkeit der Artenhybridisierung ignorieren, sondern daran, dass der binäre Evolutionsbaum tatsächlich die am leichtesten verfügbare Methode ist, evolutionäre Beziehungen zuzuordnen.

Es gibt Methoden zum Anpassen von Netzwerk-Evolutionsbäumen und es gibt auch Methoden wie PhyloNetworks, die zum Erstellen von Netzwerk-Evolutionsbäumen verwendet werden können. Allerdings sind mit den aktuellen Methoden zur Anpassung der Netzwerkentwicklung noch viele Probleme verbunden (hauptsächlich zu viel Rechenaufwand und unzureichende Genauigkeit), sodass die Verwendung von Netzwerkentwicklungsbäumen nicht sehr weit verbreitet ist.

Um einen binären Baum zu erstellen, müssen wir lediglich die Beziehung zwischen den Arten und den Zeitpunkt der Differenzierung berücksichtigen. Die Situation wird jedoch komplizierter, wenn der Genfluss berücksichtigt wird. Dabei muss berücksichtigt werden, bei welchen Arten ein Genfluss stattfindet und wie intensiv dieser ist. Es kann auch notwendig sein, den Zeitraum, in dem es auftritt, die Änderungen in verschiedenen Zeiträumen usw. zu berücksichtigen, was das Modell sehr komplex macht.

Darüber hinaus gibt es bei den meisten Arten, die sich vor langer Zeit aufgespalten haben, derzeit im Allgemeinen keinen Genfluss, in der Vergangenheit jedoch gab es einen Genfluss (es kam zu Hybridisierungen zwischen den Vorfahren der einzelnen Gattungen). Aufgrund der langen Evolutionsphase werden jedoch durch genetische Drift und neue Mutationen die Signale früherer Hybridisierungen gelöscht, sodass die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen diesen Gattungen grundsätzlich dem Muster der binären Differenzierung entsprechen. Aus diesem Grund verwenden Wissenschaftler noch immer binäre Evolutionsbäume.

Abschluss

Heute wissen wir, dass die Evolution der Arten tatsächlich ein sehr komplexer Prozess ist. Es ist nicht einfach, eine Anpassungssimulation durchzuführen. Manchmal müssen wir aufgrund der Schwierigkeit der Operation andere Methoden anwenden, obwohl wir den Einfluss verschiedener Faktoren berücksichtigen. Obwohl die Methode des binären Evolutionsbaums nicht präzise genug ist, ist sie einfach genug und steht in den meisten Fällen im Einklang mit der Evolutionsgeschichte unseres Forschungsziels, sodass der binäre Evolutionsbaum immer noch einen breiten Anwendungswert hat.

Eine gute Methode besteht daher nicht darin, umfassend zu sein, sondern darin, einfach anzuwenden zu sein. Dies gilt nicht nur für die wissenschaftliche Forschung, sondern auch für viele andere Dinge.

Quellen:

[1]MCLENNAN D A. Wie man einen phylogenetischen Baum liest [J]. Evolution: Bildung und Öffentlichkeitsarbeit, 2010, 3(4): 506-19.

[2] EDELMAN NB, FRANDSEN PB, MIYAGI M, et al. Genomische Architektur und Introgression prägen eine Schmetterlingsradiation [J]. Science, 2019, 366(6465): 594-9.

[3] LIU Y, LI D, ZHANG Q, et al. Schnelle Radiationen sowohl der Kiwi-Hybridlinien als auch ihrer Eltern werfen Licht auf einen zweistufigen Modus der Artendiversifizierung [J]. New Phytologist, 2017, 215(2): 877-90.

[4] GUO ZH, MA PF, YANG GQ, et al. Genomsequenzen geben Einblicke in den netzartigen Ursprung und die einzigartigen Merkmale von Holzbambus [J]. Mol Plant, 2019, 12(10): 1353-65.

Herausgeber: Guo Yaxin

(Hinweis: Lateinischer Text sollte kursiv gedruckt werden.)