Är fåglarnas evolution omöjlig att lösa?

Pilgrimsfalkunge

Falkar och falkartade fåglar är närmast släkt med papegojor och småfåglar, och inte med andra rovfåglar så som örnar, vråkar och gamar. Ung pilgrimsfalkshona. Bild tagen i samband med utsläpp av pilgrimsfalksungar. Foto: Johan Lind

Tänk dig två personer som sitter på en klippa och tittar upp på månen. Året är kanske 1669, och om de överhuvudtaget tänkte på månlandningar skulle de nog vara överens om att månlandningar är stört omöjligt. 300 år efter detta datum, den 20 juli 1969, var det omöjliga möjligt och Apollo 11 flög från jorden och landade på månen. I en ny vetenskaplig artikel drar Alexander Suh, vid Uppsala universitet, slutsatsen att vissa djupa släktskap i fåglarnas historia är omöjliga att reda ut. Att säga att något är svårt är en sak, men kan man säga att något är omöjligt?

När geologen Charles Lyell och botanikern Joseph Hooker den första juli 1858 presenterade Charles Darwins och Alfred Russell Wallace teori för hur arter uppstår och utvecklas genom naturligt urval var insikten om allt levandes gemensamma ursprung ofrånkomlig. Allt sedan dess har en grundbult inom evolutionsbiologin varit att beskriva jordens mångfald och förstå dess systematik, hur olika livsformer är släkt med varandra. Gåta efter gåta har lösts, vi människor uppstod i Afrika, schimpanser är närmare släkt med oss än med gorillor och fåglar är de befjädrade dinosaurierna som aldrig dog ut.

Många älskar fåglar och deras popularitet har gjort dem till en av de mest välstuderade djurgrupperna. För människor intresserade av fågelsystematik var numret av tidskriften Science som kom ut den 12 december 2014 speciellt. Ett (enormt) stort samarbetsprojekt som utnyttjat moderna genetiska metoder presenterade hela åtta studier om fåglars släktskap. De hade kartlagt den kompletta arvsmassan hos 48 arter och med den informationen uppstod mycket ny kunskap. En studie presenterade ett släktträd över huvudlinjerna hos alla levande fåglar, ett släktträd som tack vare den nya informationen kunde lösa flera tidigare omtvistade släktskap. Andra studier berättade om hur hjärnor hos fåglar utvecklats och om hur evolutionen av fåglars könskromosomers gått till. Dessutom kunde en artikel reda ut att moderna fåglar saknar tänder på grund av att tänder förlorades en gång hos en tidig förmoder till de fåglar som lever idag. Dessutom presenterades nya metoder som kan möjliggöra analyser av så extremt stora mängder data. En generell slutsats av denna ansträngning var att de fågelgrupper som finns idag uppstod väldigt snabbt efter det massutdöendet som skedde för 65 miljoner år sedan, då de reptiler vi kallar dinosaurier dog ut.

Detta nummer av Science medförde ett slags kunskapslugn, nu var allt klart. Erich Jarvis och hans 104(!) medförfattare, konstaterade att nu var många av de svåraste problemen lösta. Bland medförfattarna fanns Alexander Suh, en av flera Uppsalaforskare som deltagit i studien. Men kunskapslugnet höll knappt ett år. Två nya artiklar publicerades redan 2015 vars resultat skilde sig från Jarvis-artikeln året innan. En ofrånkomlig slutsats var att de djupa släktskapen hos fåglar inte var så enkla att reda ut som man trott i Science-numret från 2014. En av dessa ny artiklar var signerad Alexander Suh, Linnéa Smeds och Hans Ellegren vid Uppsala universitet och den andra artikeln kom från ett amerikanskt forskningssamarbete.
Trots all ny kunskap kunde inte den tidiga evolutionen av fåglar förklaras eller förstås och man kunde inte komma överens om fåglarnas djupa släktskap.

Detta fågelsystematikens värsta problembarn heter Neoaves, en stor grupp som innehåller alla världens fåglar, förutom strutsartade fåglar, höns- och andfåglar. Neoaves omfattar alltså nästan alla fåglar som finns idag. Problemet med att Neoaves tidiga evolution inte gick att reda ut borde väl ändå kunna lösas. Med mer tid, större datamängder och bättre metoder borde det väl vara en tidsfråga?

Men i en ny artikel från september 2016 hävdar Alexander Suh att det inte går. Att det kanske är omöjligt! Han studerar fåglars släktskap vid Uppsala universitet och var medförfattare på två av de åtta artiklarna i det speciella Science-numret. Han har nyss publicerat en studie med den ovanliga slutsatsen att denna vetenskapliga fråga kan vara olöslig. Kanske till och med olöslig på samma sätt som frågan om vad som hände före Big Bang!

För att förstå olösligheten måste vi tillbaka till Charles Darwin. I sin berömda bok Om arternas uppkomst från 1859 återfinns bara en illustration; ett släktträd. Darwins skiss visar modellen för artbildning, hur en art av någon anledning delas upp. Det kan vara en bergskedja som uppstått och skapat en barriär mitt i en arts utbredningsområde, eller att några individer tagit sig till en ny plats så en ny isolerad population uppstått. Genom en ansamling av förändringar över lång tid kommer de två isolerade delarna av arten samla på sig genetiska skillnader som gör att de till slut blir olika arter. Man kan förstå ett släktträd så här: i botten finns en gemensam förmoder som delat upp sig i två arter, dessa två arter lever vidare och tiden går. Av någon anledning sker en ny artbildning och ur den ena arten uppstår återigen två nya arter. Släktträdet är tvågrenat, en blir två, en blir två, och så vidare, från urcellen Ellen till alla arter vi ser runt omkring oss idag.

Släktträd som illustrerar artbildning och utdöenden. Den enda illustrationen i boken ”Om arternas uppkomst” av Charles Darwin.

Om man i en systematisk studie misslyckas med att reda ut släktskap behöver inte resultatet bli ett släktträd som är tvågrenat. Osäkerhet i släktträdet kan illustreras genom att ur en förmoder uppstår istället fler än två nya arter. Trädet blir en buske vi kallar en polytomi. Bästa botemedlet mot polytomier, osäkra släktskapsförhållande, heter mer data och bättre metoder.

Skillnaden mellan ett utrett släktträd och ett träd med en oupplöst polytomi. I det vänstra trädet kan man till exempel utläsa att schimpanser och människan har en gemensam förmoder som de inte delar med någon annan slags människoapa. Om information eller metoder saknas för att reda ut släktskap kan det ritas som en polytomi, det högra släktträdet i figuren. Det här släktträdet ger ingen information om hur dessa olika människoapor är släkt med varandra.

Skillnaden mellan ett utrett släktträd och ett träd med en oupplöst polytomi. I det vänstra trädet kan man till exempel utläsa att schimpanser och människan har en gemensam förmoder som de inte delar med någon annan slags människoapa. Om information eller metoder saknas för att reda ut släktskap kan det ritas som en polytomi, det högra släktträdet i figuren. Det här släktträdet ger ingen information om hur dessa olika människoapor är släkt med varandra.

En del systematiker, de som jobbar med att reda ut släktskap, skiljer på två olika slags polytomier. Vissa polytomier kallar de mjuka polytomier. Dessa uppstår för att vi inte har tillräckligt med data eller för att de metoder som uppfunnits inte är bra nog. Vetenskapshistorien är full av polytomier som lösts upp tack vare mer och bättre information i kombination med bättre metoder. Sedan finns kategorin hårda polytomier. Dessa kommer förbli olösta på grund av att arternas evolutionära släktskap inte går att reda ut. Vetenskapshistorien är inte full av hårda polytomier. De är högst ovanliga.

Det problem Alexander Suh identifierar i sin artikel har alltså inte med data- eller metodbegränsningar att göra. Släktskapsproblemen med Neoaves anser han har uppstått på grund av hur verkligheten tedde sig på jorden för cirka 65 miljoner år sedan efter att den enorma meteoriten ledde till massutdöendet då dinosaurierna dog ut. När dinosaurierna (förutom fåglarna) försvann gick den nya fågelevolutionen på högvarv. Kort efter meteoritnedslaget uppstod alla nio moderna grupper fåglar. De utvecklades med en så hög hastighet att deras tidiga släktskap kanske aldrig kan redas ut.

De åtta artbildningarna var inte bara snabba, de kanske också skedde samtidigt. Tillsammans gör detta att spåren efter artbildningarna kan vara helt bortsopade. Om närbesläktade arter fick barn ihop, hybridiserade, eller utvecklade likheter oberoende av varandra kan möjligheterna att lösa upp knutarna i släktskapen försvinna. Hybridisering och en sådan konvergent evolution, att olika arter utvecklar likadana genetiska sekvenser oberoende av varandra, är stora bovar som hindrar tvågreniga beskrivningar av fåglarnas evolution.

Andra som analyserat potentiella problemgrupper har föreslagit att bättre kunskap kanske kan råda bot på dessa olösliga grupper. Antonis Rokas och Sean Carroll argumenterarde i en artikel från 2006 i PLoS Biology att om vi lär oss mer om processer som leder till konvergent evolution kan bättre modeller för hur molekylär evolution går till tas fram. Då skulle dessa förfinade modeller kunna leda till att problematiska släktskap kan redas ut. En annan möjlighet de föreslår är att fästa mindre vikt vid att använda all genetisk information och istället försöka förstå om vissa delar av arvsmassan är mer informativ än andra delar. Kanske kan delar som förändrats väldigt sällan ge ny information, de kallar dem rare genomic changes. Om man kan finna sådana delar på arvsmassan är risken mindre att de förändrats på samma sätt hos flera arter.

Alexander Suh argumenterar däremot emot dessa möjligheter för de problematiska djupa släktskapen hos Neoaves. Han anser att vi idag har tillräckligt med data, eftersom så många arters hela arvsmassor har använts i analyserna. Så mycket information har analyserats att det går att förkasta idén om att vi med bättre metoder och mer information kan lösa problemet.

Är måsars och andra fåglars djupa släktskap omöjliga att reda ut? Fiskmås från Stockholm.

Är måsars och andra fåglars djupa släktskap omöjliga att reda ut? Fiskmås från Stockholm, foto: Johan Lind.

Suh:s argumentation bygger på många olika slags matematiska simuleringar av molekylär evolution, bland annat analyser av de 48 fågelarternas hela arvsmassa. Alla hans analyser ger samma mönster och han tolkar det som att de åtta artbildningarna ej går att lösa och att man bäst beskriver släktskapen mellan dessa nio grupper fåglar i Neoaves med en polytomi. En hård polytomi.

Man skulle kunna tolka Suh:s artikel som att nu är det dags att ge upp. Men han avslutar entusiastiskt med att man tvärtom borde öka forskningsinsatsen för det här resultatet är viktigt. Enligt honom kan det här vara det första empiriska exemplet på en hård polytomi hos djur. Alltså något högst ovanligt. Då borgar mer information och fler sekvenseringar av alla världens 10 500 fågelarters arvsmassor för en unik möjlighet att förstå mer om hur en hård polytomi uppstår och hur man kan identifiera en sådan.

Alexander Suh tänker att det här potentiellt olösliga problemet kan förändra vår förståelse på olika sätt.

– Antingen märker vi inom några decennier att vi kan lösa det här problemet, eller så upptäcker vi fler hårda polytomier. Vem vet, kanske blir idén att polytomier existerar i livets historia allmänt accepterad.

Om fler hårda polytomier upptäcks och accepteras skulle det här innebära att tvågrenade släktträd bara är en förenklad illustration av hur snabba artbildningsförlopp går till.

– En av anledningarna bakom min artikel var att få igång den här diskussionen. Istället för att ställa sig frågan “Vilket släktträd är rätt?” tycker jag vi istället kan diskutera frågan “Finns det för de här grupperna av fåglar ett korrekt släktträd eller inte?”.

Alexander Suh trycker på att den senare av de två frågorna leder till större och mer generella frågor kring systematik och om när man kan acceptera att släktskap är utredda eller ej. Är vissa släktskap omöjliga att reda ut?

Går vi tillbaka där vi började, till födelsen av evolutionsbiologin den där andra juli 1858, ter sig de här resultaten häpnadsväckande. Varken Darwin eller Wallace hade någon aning om hur genetik fungerar. Detta var 95 år innan Francis Crick och James Watson 1953 publicerade sin modell över hur arvsmassan, DNA, ser ut och det tog ytterligare 50 år innan en arts, människans, hela arvsmassa hade beskrivits.

Kanske skulle tanken på hur gener ser ut ha varit lika främmande för Darwin och Wallace som tanken på att en vetenskaplig artikel i framtiden skulle kunna ha 105 författare. Precisionen med vilken vi kan svara på frågor inom systematikforskning idag är imponerande. Men om problemet med Neoaves verkligen är olösligt, så som Alexander Suh föreslår, får framtiden utvisa. Trots att de har verkat omöjliga är månlandningar en del av vår gemensamma kultur idag, och nu står Marsexpeditioner högt i mode, trots att människor för 300 år sedan garanterat skulle trott att det också var något fullkomligt omöjligt.

Källor

Jarvis, E. D. m fl (2014). Whole-genome analyses resolve early branches in the tree of life of modern birds. Science, 346(6215), 1320-1331.Prum, R. m fl (2015). A comprehensive phylogeny of birds (Aves) using targeted next-generation DNA sequencing. Nature.

Rokas, A., & Carroll, S. B. (2006). Bushes in the tree of life. PLoS Biol, 4(11), e352.

Suh, A., Smeds, L., & Ellegren, H. (2015). The dynamics of incomplete lineage sorting across the ancient adaptive radiation of neoavian birds. PLoS Biol,13(8), e1002224.

Suh, A. (2016). The phylogenomic forest of bird trees contains a hard polytomy at the root of Neoaves. Zoologica Scripta, 45(S1), 50-62.


Natursidan.se har beviljats stöd av Forskningsrådet Formas genom Erik Hanssons, Johan Linds och Marie Mattssons projekt ”Forskning om natur för alla”. Det här är en artikel inom detta projekt. Läs alla våra artiklar i serien via den här länken.

Johan Lind (1 Posts)