by Kelly April Tyrrell , University of Wisconsin-Madison
Blue-blooded and armored with 10 spindly legs, horseshoe crabs have perhaps always seemed a bit out of place.
First thought to be closely related to crabs, lobsters and other crustaceans, in 1881 evolutionary biologist E. Ray Lankester placed them solidly in a group more similar to spiders and scorpions. Od tego czasu uważa się, że podkowce są przodkami pajęczaków, ale dane dotyczące sekwencji molekularnych zawsze były na tyle skąpe, że budziły wątpliwości.
Biolodzy ewolucyjni z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, Jesús Ballesteros i Prashant Sharma, mają nadzieję, że ich ostatnie badania opublikowane w czasopiśmie „Systematic Biology” pomogą mocno osadzić starożytne podkowce w drzewie genealogicznym pajęczaków.
Analizując mnóstwo danych genetycznych i rozważając ogromną liczbę możliwych sposobów ich badania, naukowcy mają teraz wysoki stopień pewności, że podkowce rzeczywiście należą do pajęczaków.
„Wykazując, że podkowce są częścią promieniowania pajęczaków, a nie linią blisko spokrewnioną z pajęczakami, ale od nich niezależną, trzeba zrewidować wszystkie wcześniejsze hipotezy na temat ewolucji pajęczaków” – mówi Ballesteros, badacz podoktorski w laboratorium Sharmy. „To poważna zmiana w naszym rozumieniu ewolucji stawonogów.”
Artropody są często uważane za najbardziej udane zwierzęta na planecie, ponieważ zajmują lądy, wodę i niebo i obejmują ponad milion gatunków. Grupa ta obejmuje owady, skorupiaki i pajęczaki.
Kraby podkowiaste były wyzwaniem do sklasyfikowania w obrębie stawonogów, ponieważ analiza genomu zwierząt wielokrotnie pokazywała, że są one spokrewnione z pajęczakami, takimi jak pająki, skorpiony, roztocza, kleszcze i mniej znane stworzenia, takie jak winniczkowate. Jednak „naukowcy zakładali, że to był błąd, że był problem z danymi” – mówi Ballesteros.
Co więcej, podkowce posiadają mieszankę cech fizycznych obserwowanych wśród różnych stawonogów. Mają twardą skorupę jak kraby, ale są jedynymi znanymi zwierzętami morskimi oddychającymi skrzelami książkowymi, które przypominają pająki i skorpiony używające płuc książkowych do przetrwania na lądzie.
Tylko cztery gatunki podkowców żyją dzisiaj, ale grupa ta po raz pierwszy pojawiła się w zapisie kopalnym około 450 milionów lat temu, wraz z tajemniczymi, wymarłymi liniami, takimi jak skorpiony morskie. Te żywe skamieniałości przetrwały główne masowe wymierania i dziś ich krew jest używana przez przemysł biomedyczny do testowania na skażenie bakteryjne.
Wiek jest tylko jednym z problemów nieodłącznie związanych z prześledzeniem ich ewolucji, mówią Ballesteros i Sharma, ponieważ poszukiwanie w czasie, aby znaleźć wspólnego przodka nie jest łatwe do osiągnięcia. A dowody z zapisu kopalnego i genetyki wskazują, że ewolucja przebiegała szybko wśród tych grup zwierząt, zagmatwając ich wzajemne relacje.
„Jednym z najtrudniejszych aspektów budowania drzewa życia jest rozróżnianie starych promieniowań, tych starożytnych wybuchów specjacji”, mówi Sharma, profesor biologii integracyjnej. „Jest to trudne do rozstrzygnięcia bez dużej ilości danych genetycznych.”
Nawet wtedy, porównania genetyczne stają się podchwytliwe, gdy patrzy się na historie genów, które mogą albo łączyć, albo oddzielać gatunki. Niektóre zmiany genetyczne mogą być mylące, sugerując związki, w których nie istnieją lub odrzucając połączenia, które istnieją. Zawdzięczamy to zjawiskom takim jak niekompletne sortowanie linii lub boczny transfer genów, przez które asortymenty genów nie są czysto tworzone w całej ewolucji gatunków.
Ballesteros sprawdził skomplikowane relacje między najbardziej skomplikowanymi genami, porównując kompletne genomy trzech z czterech żyjących gatunków krabów podkowiastych z sekwencjami genomów 50 innych gatunków stawonogów, w tym pcheł wodnych, stonóg i żniwiarzy.
Używając złożonego zestawu macierzy, dbając o to, by nie wprowadzać błędów w swojej analizie, pieczołowicie rozdzielał dane. Jednak bez względu na to, w jaki sposób Ballesteros przeprowadził analizę, znalazł podkowce zagnieżdżone w drzewie genealogicznym pajęczaków.
Jak twierdzi, jego podejście jest przestrogą dla innych biologów ewolucyjnych, którzy mogą być skłonni do wybierania danych, które wydają się najbardziej wiarygodne, lub do odrzucania tych, które nie pasują. Naukowcy mogliby, na przykład, „zmusić” swoje dane do umieszczenia podkowców wśród skorupiaków, mówi Sharma, ale nie byłoby to dokładne. Zespół badawczy próbował tego i znalazł setki genów wspierających nieprawidłowe drzewa.
Ballesteros zachęca innych do poddania swoich danych ewolucyjnych tego rodzaju rygorystycznej metodologii, ponieważ „ewolucja jest skomplikowana.”
Dlaczego podkowce są mieszkańcami wody, podczas gdy inne pajęczaki skolonizowały ląd, pozostaje otwartym pytaniem. Zwierzęta te należą do grupy zwanej Chelicerata, do której należą również pająki morskie. Pająki morskie są morskimi stawonogami, jak podkowce, ale nie są pajęczakami.
„Z badań wynika, że podbój lądu przez pajęczaki jest bardziej złożony niż wydarzenie o jednej tradycji” – mówi Ballesteros.
Możliwe, że wspólny przodek pajęczaków wyewoluował w wodzie, a tylko grupy takie jak pająki i skorpiony dotarły na ląd. Albo też wspólny przodek mógł wyewoluować na lądzie, a potem podkowce ponownie zasiedliły morze.
„Największym pytaniem, jakie nas nurtuje, jest historia rozwoju lądowego” – mówi Sharma.
Dla Ballesterosa, który obecnie bada ewolucję ślepoty u pająków żyjących głęboko w jaskiniach w Izraelu, jego motywacje sięgają serca samej ludzkiej natury.
„Mogę patrzeć z dziecięcą ciekawością i pytać: 'Jak powstała cała ta różnorodność?'”, mówi. „To niesamowite, co istnieje, i nigdy nie sądziłem, że będę miał przywilej, by móc to robić”.