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

Les îles sont les laboratoires les plus révélateurs de la nature. Isolées par de vastes étendues d'océan, elles permettent aux scientifiques d'observer l'évolution se dérouler en temps réel, à mesure que les espèces arrivent, s'adaptent et parfois disparaissent. Pour comprendre ce processus, les chercheurs examinent souvent les arbres généalogiques des créatures vivantes, remontant la trace de leurs ancêtres pour voir quand et où elles ont divergé. Cependant, un obstacle majeur s'est longtemps dressé sur leur chemin : ces arbres généalogiques manquent souvent d'une horloge fiable. En l'absence de fossiles pour marquer des moments précis dans le temps, il est difficile de savoir si un groupe d'espèces est arrivé sur une île il y a seulement quelques millions d'années ou il y a des dizaines de millions d'années. Cette incertitude rend difficile la connexion entre l'histoire de la vie et l'histoire de la terre elle-même, qui est en constante mutation, s'élevant, s'abaissant et s'érodant.

Une nouvelle étude s'attaque à ce problème en créant un moyen de tisser ensemble l'histoire de l'évolution d'une plante avec l'histoire géologique des îles Hawaï. Les chercheurs se sont concentrés sur le Kadua, un groupe de plantes à fleurs que l'on ne trouve qu'à Hawaï. En combinant des données génétiques de plantes modernes avec une carte détaillée de la façon dont les îles ont changé au cours de millions d'années, ils ont construit un modèle qui estime quand ces plantes sont arrivées et comment elles se sont propagées sans avoir besoin de fossiles anciens. Leur travail suggère que le moment de l'arrivée d'une plante et son explosion subséquente en nouvelles espèces est profondément lié au cycle de vie des îles elles-mêmes, montant et descendant avec la croissance et le déclin des îles.

L'archipel hawaïen est une chaîne d'îles volcaniques qui s'étend sur plus de mille milles à travers le Pacifique. À mesure que la plaque tectonique du Pacifique se déplace sur un point chaud de magma stationnaire, de nouvelles îles naissent au sud-est et dérivent vers le nord-ouest, vieillissant et s'enfonçant au passage. Cela crée un tapis roulant de terres, où les îles les plus jeunes sont hautes et volcaniques, tandis que les plus anciennes sont basses, érodées et souvent stériles. Pendant des décennies, les biologistes se sont demandé comment ce paysage changeant façonne la vie qu'il soutient. Les espèces arrivent-elles sur les nouvelles îles et progressent-elles dans le temps ? Prospèrent-elles lorsqu'une île est jeune et pleine de nouveaux habitats, ou lorsqu'elle est plus ancienne et plus complexe ? Pour répondre à ces questions, l'équipe s'est tournée vers le Kadua, un genre d'environ vingt-cinq espèces qui a colonisé chaque île haute moderne de la chaîne.

Des études précédentes avaient eu du mal à déterminer précisément quand le Kadua est arrivé pour la première fois à Hawaï. Les estimations variaient considérablement, allant d'une arrivée récente il y a environ trois millions d'années à une colonisation ancienne il y a plus de treize millions d'années. Cette incertitude rendait impossible le test de la « règle de progression », une théorie suggérant que les espèces se déplacent régulièrement des îles les plus anciennes vers les plus jeunes à mesure que de nouvelles terres apparaissent. Les chercheurs ont réalisé que pour résoudre cela, ils avaient besoin d'une méthode qui ne traitait pas l'arbre généalogique et la carte géologique comme des puzzles séparés. Au lieu de cela, ils ont développé un nouveau cadre computationnel qui les traite comme un système unique et interconnecté.

Cette nouvelle approche, qu'ils appellent TimeFIG, permet au modèle d'apprendre des données elles-mêmes. Au lieu de forcer l'arbre généalogique à correspondre à une date spécifique basée sur un fossile qui pourrait ne pas exister, le modèle examine les différences génétiques entre les plantes et l'histoire connue des îles pour déterminer la chronologie la plus probable. Il demande : étant donné les relations génétiques que nous voyons aujourd'hui et la façon dont les îles ont grandi et rétréci au fil du temps, quelle est l'histoire la plus probable de la façon dont ces plantes sont arrivées et se sont propagées ? Le modèle teste également des idées spécifiques sur ce qui stimule l'évolution sur les îles, comme le fait de savoir si des îles plus grandes produisent plus d'espèces, si la distance rend le voyage des plantes plus difficile, ou si l'âge d'une île affecte la vitesse à laquelle de nouvelles espèces apparaissent.

Lorsque les chercheurs ont appliqué cette méthode au Kadua, les résultats ont offert une image plus claire du passé. L'analyse suggère que l'ancêtre commun de tous les Kadua modernes d'Hawaï est probablement arrivé entre 1,4 et 5,9 millions d'années, très probablement sur l'île de Kaua'i. Cependant, le modèle laisse également ouverte la possibilité d'une arrivée plus ancienne, peut-être sur des îles aujourd'hui disparues qui existaient autrefois au nord-ouest, telles que Gardner et Necker. Ces îles anciennes étaient autrefois grandes et hautes, similaires aux îles modernes, mais elles se sont depuis érodées et ont sombré sous la mer. Le fait qu'aucune espèce de Kadua ne vive là-bas aujourd'hui n'est pas seulement une donnée manquante ; c'est un indice. Le modèle traite leur absence comme la preuve que si les plantes y étaient autrefois, elles ont soit disparu, soit se sont déplacées vers des îles plus jeunes et plus hospitalières.

L'étude a également révélé comment les caractéristiques physiques des îles ont influencé l'évolution des plantes. Le facteur le plus fort identifié est la distance. Plus deux îles sont éloignées, moins il est probable qu'une plante puisse voyager avec succès entre elles. Cela confirme un principe fondamental de la biologie insulaire : l'isolement est une barrière puissante. Les chercheurs ont également trouvé des preuves soutenant l'idée que les plantes ont tendance à se déplacer des îles plus anciennes vers les plus jeunes, bien que ce schéma ne soit pas absolu. Certaines plantes ont également reculé, des îles plus jeunes vers les plus anciennes, suggérant que le flux de la vie est plus complexe qu'une simple rue à sens unique.

La découverte la plus frappante concerne peut-être le moment où les nouvelles espèces naissent. L'étude suggère que le taux auquel les nouvelles espèces de Kadua apparaissent et survivent n'est pas constant. Au lieu de cela, il culmine lorsque l'île est dans son « âge moyen ». Lorsqu'une île est très jeune, elle est encore en pleine croissance et ses habitats sont limités. À mesure qu'elle mûrit, elle développe une topographie complexe, des climats divers et une variété d'écosystèmes, créant un boom d'opportunités pour l'évolution de nouvelles espèces. Cependant, à mesure qu'une île continue de vieillir, elle commence à s'éroder et à s'enfoncer, perdant sa hauteur et sa complexité écologique. Durant ce déclin, le taux de formation de nouvelles espèces ralentit, et les taux d'extinction peuvent augmenter. Les données indiquent que le taux de diversification le plus élevé pour le Kadua s'est produit sur des îles qui étaient hautes mais commençaient déjà à montrer des signes de déclin, un « point idéal » d'opportunité écologique.

Ce schéma aide à expliquer pourquoi les îles modernes, qui sont à différents stades de ce cycle de vie, détiennent des nombres différents d'espèces. La plus jeune île, Hawaï, présente actuellement le taux le plus bas de formation de nouvelles espèces, mais elle possède le plus grand potentiel pour l'avenir alors qu'elle continue de croître. L'île la plus ancienne, Kaua'i, connaît un léger déclin de sa capacité à générer de nouvelles espèces, tandis que les îles d'âge moyen, O'ahu et Maui Nui, soutiennent actuellement un taux constant de diversification. Les anciens complexes de Gardner et Necker, qui sont désormais sous l'eau ou presque, montrent une perte nette d'espèces, un sort qui a probablement frappé tout ancêtre du Kadua qui vivait là-bas.

Les chercheurs reconnaissent que leurs conclusions comportent un certain degré d'incertitude, car le groupe de plantes étudié est relativement petit. Cependant, leurs simulations montrent que la méthode qu'ils ont développée est suffisamment robuste pour détecter ces modèles, même dans de petits groupes. En intégrant l'histoire de la terre avec l'histoire de la vie, l'étude fournit un moyen plus rigoureux de tester les théories de longue date sur la façon dont les îles façonnent l'évolution. Elle dépasse les simples suppositions sur le moment où les espèces sont arrivées, offrant une vue dynamique où l'ascension et la chute de la terre elle-même pilotent l'ascension et la chute de la biodiversité.

Enfin, ce travail démontre que l'histoire de la vie sur une île ne peut être racontée sans l'histoire de l'île elle-même. Les processus géologiques qui construisent et détruisent les terres ne sont pas seulement un décor pour l'évolution ; ils sont des participants actifs, fixant le rythme de l'arrivée des espèces, de leur propagation et de leur disparition. Pour le Kadua d'Hawaï, le rythme de leur évolution est inextricablement lié au pouls lent et implacable des îles volcaniques, montant et descendant dans une danse de création et de destruction qui se joue depuis des millions d'années.