Synchronizing speciation, extinction, and dispersal to island paleodynamics through Bayesian phylogenetics in a Hawaiian plant radiation

Las islas son los laboratorios más reveladores de la naturaleza. Aisladas por vastas extensiones de océano, permiten a los científicos observar la evolución desarrollarse en tiempo real, a medida que las especies llegan, se adaptan y, a veces, desaparecen. Para comprender este proceso, los investigadores suelen observar los árboles genealógicos de las criaturas vivas, rastreando sus ancestros para ver cuándo y dónde divergieron. Sin embargo, un gran obstáculo se ha interpuesto en el camino durante mucho tiempo: estos árboles genealógicos suelen carecer de un reloj fiable. Sin fósiles que marquen momentos específicos en el tiempo, es difícil saber si un grupo de especies llegó a una isla hace apenas unos pocos millones de años o hace decenas de millones de años. Esta incertidumbre dificulta la conexión de la historia de la vida con la historia de la tierra misma, la cual está en constante cambio, elevándose, hundiéndose y erosionándose.

Un nuevo estudio aborda este problema creando una forma de entrelazar la historia de la evolución de una planta con la historia geológica de las islas Hawái. Los investigadores se centraron en Kadua, un grupo de plantas con flores que se encuentran únicamente en Hawái. Al combinar datos genéticos de plantas modernas con un mapa detallado de cómo han cambiado las islas a lo largo de millones de años, construyeron un modelo que estima cuándo llegaron estas plantas y cómo se propagaron sin necesidad de fósiles antiguos. Su trabajo sugiere que el momento de la llegada de una planta y su subsiguiente explosión en nuevas especies está profundamente ligado al ciclo de vida de las propias islas, subiendo y bajando con el propio crecimiento y decadencia de las islas.

El archipiélago de Hawái es una cadena de islas volcánicas que se extiende a lo largo de más de mil millas a través del Pacífico. A medida que la placa tectónica del Pacífico se desplaza sobre un punto caliente estacionario de magma, nacen nuevas islas y se desplazan hacia el noroeste, envejeciendo y hundiéndose a medida que avanzan. Esto crea una cinta transportadora de tierra, donde las islas más jóvenes son altas y volcánicas, mientras que las más antiguas son bajas, erosionadas y a menudo estériles. Durante décadas, los biólogos se han preguntado cómo este paisaje cambiante moldea la vida que sostiene. ¿Llegan las especies a las islas más nuevas y se mueven hacia adelante en el tiempo? ¿Prosperan cuando una isla es joven y está llena de hábitats frescos, o cuando es más antigua y compleja? Para responder a estas preguntas, el equipo recurrió a Kadua, un género de unas veinticinco especies que ha colonizado cada isla alta moderna de la cadena.

Estudios previos habían tenido dificultades para determinar exactamente cuándo llegó Kadua a Hawái por primera vez. Las estimaciones variaban enormemente, desde una llegada reciente de hace unos tres millones de años hasta una colonización antigua de hace más de trece millones de años. Esta incertidumbre hacía imposible probar si las plantas seguían la "regla de progresión", una teoría que sugiere que las especies se mueven constantemente de las islas más antiguas a las más jóvenes a medida que aparece nueva tierra. Los investigadores se dieron cuenta de que para resolver esto, necesitaban un método que no tratara el árbol genealógico y el mapa geológico como acertijos separados. En su lugar, desarrollaron un nuevo marco computacional que los trata como un sistema único e interconectado.

Este nuevo enfoque, que los autores llaman TimeFIG, permite que el modelo aprenda de los propios datos. En lugar de forzar el árbol genealógico a ajustarse a una fecha específica basada en un fósil que podría no existir, el modelo observa las diferencias genéticas entre las plantas y la historia conocida de las islas para determinar la cronología más probable. Se pregunta: dado los parentescos genéticos que vemos hoy y la forma en que las islas han crecido y disminuido a lo largo del tiempo, ¿cuál es la historia más probable de cómo estas plantas llegaron y se propagaron? El modelo también pone a prueba ideas específicas sobre qué impulsa la evolución en las islas, como si las islas más grandes producen más especies, si la distancia hace que sea más difícil para las plantas viajar y si la edad de una isla afecta la velocidad con la que aparecen nuevas especies.

Cuando los investigadores aplicaron este método a Kadua, los resultados ofrecieron una imagen más clara del pasado. El análisis sugiere que el ancestro común de todas las Kadua modernas de Hawái probablemente llegó entre hace 1.4 y 5.9 millones de años, muy posiblemente en la isla de Kau'i. Sin embargo, el modelo también deja abierta la posibilidad de una llegada más antigua, tal vez en islas que ya no existen al noroeste, como Gardner y Necker. Estas antiguas islas fueron una vez grandes y altas, similares a las actuales, pero desde entonces se han erosionado y hundido bajo el mar. El hecho de que no existan especies de Kadua allí hoy no es solo un dato faltante; es una pista. El modelo trata su ausencia como evidencia de que, si las plantas estuvieron alguna vez allí, o bien se extinguieron o se trasladaron a islas más jóvenes y hospitalarias.

El estudio también reveló cómo las características físicas de las islas influyeron en la evolución de las plantas. El factor más fuerte encontrado fue la distancia. Cuanto más separadas están dos islas, menos probable es que una planta viaje con éxito entre ellas. Esto confirma un principio básico de la biología de las islas: el aislamiento es una barrera poderosa. Los investigadores también encontraron evidencia que respalda la idea de que las plantas tienden a moverse de las islas más antiguas a las más jóvenes, aunque este patrón no era absoluto. Algunas plantas se movieron hacia atrás, de islas más jóvenes a más antiguas, lo que sugiere que el flujo de la vida es más complejo que una simple calle de un solo sentido.

Quizás el hallazgo más sorprendente se refiere al momento en que nacen las nuevas especies. El estudio sugiere que la tasa a la que aparecen y sobreviven las nuevas especies de Kadua no es constante. En cambio, alcanza su punto máximo cuando una isla está en su "madurez media". Cuando una isla es muy joven, todavía está creciendo y sus hábitats son limitados. A medida que madura, desarrolla una topografía compleja, climas diversos y una variedad de ecosistemas, creando un auge de oportunidades para que evolucionen nuevas especies. Sin embargo, a medida que la isla continúa envejeciendo, comienza a erosionarse y hundirse, perdiendo su altura y su complejidad ecológica. Durante este declive, la tasa de formación de nuevas especies disminuye y las tasas de extinción pueden aumentar. Los datos indican que la mayor tasa de diversificación para Kadua ocurrió en islas que eran altas pero que ya mostraban signos de decadencia, un punto ideal de oportunidad ecológica.

Este patrón ayuda a explicar por qué las islas modernas, que se encuentran en diferentes etapas de este ciclo de vida, albergan diferentes números de especies. La isla más joven, Hawái, tiene actualmente la tasa más baja de formación de nuevas especies, pero posee el mayor potencial para el futuro a medida que continúa creciendo. La isla más antigua de las modernas, Kau'i, está experimentando un ligero declive en su capacidad para generar nuevas especies, mientras que las islas de edad media, O'ahu y Maui Nui, mantienen actualmente una tasa constante de diversificación. Los antiguos complejos de Gardner y Necker, que ahora están bajo el agua o casi tanto, muestran una pérdida neta de especies, un destino que probablemente sufrió cualquier ancestro de Kadua que alguna vez vivió allí.

Los investigadores reconocen que sus hallazgos conllevan cierto grado de incertidumbre, ya que el grupo de plantas que estudiaron es relativamente pequeño. Sin embargo, sus simulaciones muestran que el método que desarrollaron es lo suficientemente robusto como para detectar estos patrones incluso en grupos pequeños. Al integrar la historia de la tierra con la historia de la vida, el estudio proporciona una forma más rigurosa de probar teorías de larga data sobre cómo las islas moldean la evolución. Va más allá de las simples conjeturas sobre cuándo llegaron las especies, ofreciendo una visión dinámica donde el ascenso y la caída de la tierra misma impulsa el ascenso y la caída de la biodiversidad.

En última instancia, este trabajo demuestra que la historia de la vida en una isla no puede contarse sin la historia de la propia isla. Los procesos geológicos que construyen y destruyen la tierra no son solo un telón de fondo para la evolución; son participantes activos, estableciendo el ritmo de cuándo llegan las especies, cómo se propagan y cuándo desaparecen. Para la Kadua de Hawái, el ritmo de su evolución está inextricablemente ligado al pulso lento y constante de las islas volcánicas, que suben y bajan en una danza de creación y destrucción que se ha desarrollado durante millones de años.