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

Eilanden zijn de meest onthullende laboratoria van de natuur. Geïsoleerd door uitgestrekte oceanen, stellen ze wetenschappers in staat om de evolutie in realtime te observeren, terwijl soorten arriveren, zich aanpassen en soms verdwijnen. Om dit proces te begrijpen, kijken onderzoekers vaak naar de stambomen van levende wezens, waarbij ze de voorouders terugvolgen om te zien wanneer en waar ze uiteen gingen. Echter, een grote hindernis stond lang in de weg: deze stambomen missen meestal een betrouwbare klok. Zonder fossielen om specifieke momenten in de tijd te markeren, is het moeilijk te weten of een groep soorten enkele miljoenen jaren geleden op een eiland is gearriveerd of tientallen miljoenen jaren geleden. Deze onzekerheid maakt het moeilijk om de geschiedenis van het leven te verbinden met de geschiedenis van het land zelf, dat voortdurend verschuift, stijgt, zinkt en erodeert.

Een nieuwe studie pakt dit probleem aan door een manier te creëren om het verhaal van de evolutie van een plant te verweven met het geologische verhaal van de Hawaïaanse eilanden. De onderzoekers richtten zich op Kadua, een groep bloemplanten die alleen in Hawaï voorkomt. Door genetische gegevens van moderne planten te combineren met een gedetailleerde kaart van hoe de eilanden gedurende miljoenen jaren zijn veranderd, bouwden zij een model dat schat wanneer deze planten arriveerden en hoe zij zich verspreidden zonder dat daar oude fossielen voor nodig zijn. Hun werk suggereert dat de timing van de aankomst van een plant en de daaropvolgende explosie in nieuwe soorten diep verbonden is met de levenscyclus van de eilanden zelf, die opstijgen en dalen met de groei en het verval van de eilanden zelf.

De Hawaïaanse archipel is een keten van vulkanische eilanden die meer dan duizend mijlen over de Stille Oceaan strekt. Terwijl de Pacifische tektonische plaat over een stationaire hotspot van magma beweegt, worden nieuwe eilanden geboren in het zuidoosten en drijven ze naar het noordwesten, waarbij ze verouderen en zinken naarmate ze verder bewegen. Dit creëert een bewegende transportband van land, waarbij de jongste eilanden hoog en vulkanisch zijn, terwijl de oudste laag, geërodeerd en vaak onvruchtbaar zijn. Bevolgers van de biologie vragen zich al decennia af hoe dit veranderende landschap het leven dat het ondersteunt vormgeeft. Arriveren soorten op de nieuwste eilanden en bewegen ze mee met de tijd? Gedijen ze wanneer een eiland jong en vol verse habitats is, of wanneer het ouder en complexer is? Om deze vragen te beantwoorden, richtte het team zich op Kadua, een geslacht van ongeveer vijfentwintig soorten dat elk hoog modern eiland in de keten heeft gekoloniseerd.

Eerdere studies hadden moeite om precies vast te stellen wanneer Kadua voor het eerst in Hawaï arriveerde. Schattingen varieerden enorm, van een recente aankomst van ongeveer drie miljoen jaar geleden tot een eeuwenoude kolonisatie van meer dan dertien miljoen jaar geleden. Deze onzekerheid maakte het onmogelijk om te testen of de planten de "progressieregel" volgden, een theorie die suggereert dat soorten gestaag van oudere eilanden naar jongere eilanden bewegen naarmate er nieuw land verschijnt. De onderzoekers realiseerden zich dat ze hiervoor een methode nodig hadden die de stamboom en de geologische kaart niet als afzonderlijke puzzels behandelt. In plaats daarvan ontwikkelden zij een nieuw computationeel kader dat hen behandelt als één, onderling verbonden systeem.

Deze nieuwe benadering, die de auteurs TimeFIG noemen, stelt het model in staat om van de data zelf te leren. In plaats van de stamboom te dwingen om in een specifiek tijdstip te passen op basis van een fossiel dat mogelijk niet bestaat, kijkt het model naar de genetische verschillen tussen de planten en de bekende geschiedenis van de eilanden om de meest waarschijnlijke tijdlijn te bepalen. Het vraagt: gegeven de genetische relaties die we vandaag zien en de manier waarop de eilanden door de tijd heen zijn gegroeid en gekrompen, wat is de meest waarschijnlijke geschiedenis van hoe deze planten zijn gearriveerd en verspreid? Het model test ook specifieke ideeën over wat de evolutie op eilanden aandrijft, zoals of grotere eilanden meer soorten produceren, of afstand het moeilijker maakt voor planten om te reizen, en of de leeftijd van een eiland invloed heeft op hoe snel nieuwe soorten verschijnen.

Wanneer de onderzoekers deze methode toepasten op Kadua, boden de resultaten een duidelijker beeld van het verleden. De analyse suggereert dat de gemeenschappelijke voorouder van alle moderne Hawaïaanse Kadua waarschijnlijk tussen 1,4 en 5,9 miljoen jaar geleden is gearriveerd, het meest waarschijnlijk op het eiland Kaua'i. Het model laat echter ook de mogelijkheid open van een oudere aankomst, wellicht op nu verdwenen eilanden die ooit in het noordwesten bestonden, zoals Gardner en Necker. Deze oude eilanden waren ooit groot en hoog, vergelijkbaar met de moderne eilanden, maar zijn sindsdien geërodeerd en in de zee gezonken. Het feit dat geen enkele Kadua-soort daar vandaag de dag leeft, is niet alleen een gebrek aan data; het is een aanwijzing. Het model beschouwt hun afwezigheid als bewijs dat als de planten er ooit waren, ze ofwel zijn uitgestorven of naar jongere, gastvrijere eilanden zijn verplaatst.

De studie onthulde ook hoe de fysieke kenmerken van de eilanden de evolutie van de planten hebben beïnvloed. De sterkste factor die werd gevonden, was afstand. Hoe verder twee eilanden uit elkaar liggen, hoe minder waarschijnlijk het is dat een plant succesvol tussen hen kan reizen. Dit bevestigt een basisprincipe van de eilandbiologie: isolatie is een krachtige barrière. De onderzoekers vonden ook bewijs dat de planten de neiging hebben om van oudere naar jongere eilanden te bewegen, hoewel dit patroon niet absoluut was. Sommige planten bewogen ook achteruit, van jongere naar oudere eilanden, wat suggereert dat de stroom van het leven complexer is dan een eenvoudige eenrichtingsweg.

Misschien wel de meest opvallende bevinding betreft de timing van wanneer nieuwe soorten worden geboren. De studie suggereert dat de snelheid waarmee nieuwe Kadua-soorten verschijnen en overleven niet constant is. In plaats daarvan piekt het wanneer een eiland in zijn "middenleeftijd" is. Wanneer een eiland zeer jong is, is het nog volop in groei en zijn de habitats beperkt. Naarmate het rijpt, ontwikkelt het een complexe topografie, diverse klimaten en een verscheidenheid aan ecosystemen, wat een boom in mogelijkheden voor nieuwe soorten creëert. Echter, naarmate het eiland blijft verouderen, begint het te eroderen en te zinken, waardoor het aan hoogte en ecologische complexiteit verliest. Tijdens dit verval vertraagt de snelheid van nieuwe soortvorming en kunnen de uitstervingspercentages toenemen. De gegevens wijzen erop dat de hoogste mate van diversificatie voor Kadua plaatsvond op eilanden die hoog waren, maar al tekenen van verval vertoonden; een 'sweet spot' van ecologische kansen.

Dit patroon helpt verklaren waarom de moderne eilanden, die zich op verschillende stadia van deze levenscyclus bevinden, verschillende aantallen soorten herbergen. Het jongste eiland, Hawai'i, heeft momenteel de laagste snelheid van nieuwe soortvorming, maar heeft het meeste potentieel voor de toekomst terwijl het blijft groeien. Het oudste moderne eiland, Kaua'i, ziet een lichte afname in zijn vermogen om nieuwe soorten te genereren, terwijl de middenoude eilanden O'ahu en Maui Nui momenteel een stabiel tempo van diversificatie handhaven. De oude Gardner- en Necker-complexen, die nu onder water of bijna onder water liggen, laten een netto verlies aan soorten zien, een lot dat waarschijnlijk ook de voorouders van de Kadua die daar ooit leefden, heeft getroffen.

De onderzoekers erkennen dat hun bevindingen gepaard gaan met een mate van onzekerheid, aangezien de groep planten die zij bestudeerden relatief klein is. Hun simulaties tonen echter aan dat de methode die zij hebben ontwikkeld robuust genoeg is om zelfs in kleine groepen deze patronen te detecteren. Door de geschiedenis van het land te integreren met de geschiedenis van het leven, biedt de studie een meer rigoureuze manier om langdurige theorieën over hoe eilanden de evolutie vormen te testen. Het gaat verder dan eenvoudige gissingen over wanneer soorten arriveerden, en biedt een dynamisch beeld waarin de opkomst en ondergang van het land zelf de opkomst en ondergang van biodiversiteit stuurt.

Uiteindelijk demonstreert dit werk dat het verhaal van het leven op een eiland niet verteld kan worden zonder het verhaal van het eiland zelf. De geologische processen die land bouwen en vernietigen zijn niet slechts een decor voor de evolutie; zij zijn actieve deelnemers, die het tempo bepalen van wanneer soorten arriveren, hoe zij zich verspreiden en wanneer zij verdwijnen. Voor de Hawaïaanse Kadua is het ritme van hun evolutie onlosmakelijk verbonden met de trage, onverbiddelijke hartslag van de vulkanische eilanden, die opstijgen en dalen in een dans van creatie en destructie die zich over miljoenen jaren heeft afgespeeld.