Noi dovezi genomice și fosile clarifică evoluția insectelor cu aripi
Un studiu recent combină analize genomice și dovezi fosile pentru a rezolva o dezbatere științifică veche de peste un secol privind relațiile evolutive dintre principalele grupe de insecte cu aripi. Cercetarea, publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences, susține ipoteza că efemeropterele (muștele de mai) și odonatele (libelulele și calopărurile) formează un singur grup evolutiv numit Palaeoptera, care este grupul soră al Neopterelor, linia ce cuprinde insectele capabile să își plieze aripile deasupra corpului.
Studiul a fost realizat de echipa lui Cai Chenyang de la Institutul de Geologie și Paleontologie din Nanjing al Academiei Chineze de Științe, împreună cu echipa profesorului Zhou Changfa de la Universitatea Normală din Nanjing. Cercetătorii au reconstruit istoria evolutivă timpurie a insectelor cu aripi și au oferit noi estimări privind momentul apariției liniilor lor majore.
Insectele sunt cel mai bogat grup de animale de pe Pământ, cu peste un milion de specii vii descrise formal. Evoluția insectelor cu aripi reprezintă unul dintre cele mai transformatoare evenimente din evoluția terestră. Totuși, momentul originii insectelor cu aripi și relațiile filogenetice dintre cele trei linii majore — Ephemeroptera, Odonata și Neoptera — au rămas nerezolvate timp de peste un secol, constituind așa-numita „Problemă Palaeoptera”.
Analiză genomică extinsă pe peste 100 de specii
Pentru a aborda această problemă, cercetătorii au secvențiat 16 genomuri noi de efemeroptere chinezești și au integrat date genomice și transcriptomice de la peste 100 de specii de insecte, acoperind astfel o linie istoric insuficient studiată și completând lacunele de eșantionare taxonomică și genică din studiile anterioare.
Cercetătorii au construit mai întâi două supermatrici mari de aminoacizi folosind gene nucleare ortologice universale cu copie unică. Au examinat apoi sistematic semnalele filogenetice utilizând metode de concatenare și coalescență multi-specie, multiple modele evolutive, teste topologice, disecție a semnalului la nivel de sit și analize de simulare.
Rezultatele acestor abordări filogenomice diverse susțin în mod consecvent monofilia Palaeopterelor. Datele genomice indică de asemenea puternic că Ephemeroptera și Odonata sunt grupuri surori — formând împreună Palaeoptera, clada soră a Neopterelor. Aceste descoperiri sugerează că aripile nepliable ale Palaeopterelor și aripile pliable ale Neopterelor sunt ambele trăsături noi dobândite independent de la insectele ancestrale cu aripi, rezolvând astfel în mare măsură problema veche de un secol.
Discordanță genetică explicată prin sortare incompletă a liniilor
Cercetătorii au descoperit că, în timpul radiației timpurii rapide a insectelor cu aripi, o combinație de sortare incompletă a liniilor și eroare de estimare a arborelui genic a afectat aproximativ 40% dintre arborii genici, creând discordanță topologică între arborii genici și arborele speciilor. Acest fenomen a cauzat concluzii concurente în diferite cadre analitice și explică de ce studiile filogenomice anterioare nu au reușit să rezolve complet relațiile filogenetice ale insectelor cu aripi bazale.
Cercetătorii au folosit și analize cu ceas molecular calibrat cu 13 puncte de referință fosile atent selectate pentru a estima momentul evoluției timpurii a insectelor cu aripi. Rezultatele indică faptul că grupul coroană Pterygota a apărut în Devonianul timpuriu, în timp ce grupul coroană Palaeoptera a apărut în Devonianul târziu.
O singură origine, structuri ale aripilor divergente
Aripile insectelor au evoluat o singură dată. Mecanismul de pliere a aripilor la neoptere, permis de rotația scleritului axilar trei independent pentru a ascunde aripile posterioare deasupra abdomenului, a oferit fundația morfologică și ecologică pentru radiația explozivă a Neopterelor după Carbonifer. În contrast, atât efemeropterele, cât și odonatele au evoluat complexe rigide foarte specializate ale bazei aripilor, adaptate pentru planare sau zbor prădător de mare viteză.
Scenariul evolutiv reconstruit arată că, după divergența inițială a insectelor cu aripi, Palaeoptera și Neoptera au divergat rapid și au evoluat structuri distincte ale aripilor, Neopterele dezvoltându-și aparatul unic de pliere a aripilor, iar Palaeopterele dezvoltând baze rigide ale aripilor pentru zbor direct de înaltă performanță. Împreună, aceste inovații au modelat biomecanica zborului și diversitatea speciilor de insecte cu aripi observată astăzi în natură.
