O umění číst v kladogramech

    V poměrně krátkém časovém intervalu jsem se setkal se třemi zajímavými fylogenetickými hypotézami, které ovšem všechny vyplývaly z jednoho: špatné interpretace kladogramu.

Případ 1: Nejbližší příbuzní na kladogramu (Zrzavý 2006)

    Obviňovat Jana Zrzavého z nějaké neznalosti kladistiky je absurdní, už jen proto, že na rozdíl ode mě autor nějaké ty kladistické analýzy provedl a ví, co znamenají nechutnosti typu posteriorních pravděpodobností a Kimurových dvojparametrových distancí. (Mimochodem, přestože dinosauří paleontologové "kladistikou" většinou chápou fylogenetickou analýzu morfologických znaků využívající parsimonii, jde o označení pro daleko rozsáhlejší soubor metod, z nichž většina má své využití především v molekulární biologii. První morfologické analýzy využívající tradičně molekulárněbiologickou metodu nejvyšší věrohodnosti [maximum likelihood] už ale byly provedeny a šeptá se, že je umožní i finální verze PAUPu 4.0.) Fylogeneze živočišné říše (Zrzavý 2006) představuje nejlepší česky psaný úvod do fylogenetické systematiky, se kterým jsem se dosud setkal - osvětluje rozdíly mezi kladogenezí a anagenezí, vysvětluje, proč nemají smysl parafyletické taxony a taxonomické kategorie, a naráží dokonce i na fylogenetické definice. Přes to všechno se zde vyskytuje jedna dost problematická věta, pocházející zřejmě ze špatného čtení kladogramu:

Nejbližšími příbuznými opistokont jsou patrně měňavky a hlenky (Amoebozoa), ať už jde o jejich sesterskou skupinu, nebo o skupinu, která se odštěpila hned po opistokontní větvi (obr. 5)

(Zrzavý 2006:21)

    Na první pohled nic špatného - protože popisovat kladogram slovy je vždy trochu obtížné. Důležité ale je, co je na obrázku 5 - jde o pokus zakořenit eukaryoty, tedy určit, jaká skupina se odštěpila jako první. To je tady celkem irelevantní, důležité je jen to, jaká je na těchto stromcích vzájemná poloha opistokont (skupiny, kam patří houby, živočichové a také nuklearie, trubénky [Choanoflagellata] a filasterie [Ministeria a Capsaspora]) vůči amébozoím. Taková:

Vytvořeno s nástrojem PhyloPainter (© 2010 Mike Keesey | namesonnodes.org/phylopainter)

    Na obrázku 1 je vše v pořádku - Amoebozoa jsou sesterskou skupinou opistokont, a říct tedy, že jsou jejich nejbližšími příbuznými, je konstatování téhož faktu jinými slovy. Na obrázku 2 ale nejsou hlenky a měňavky o nic blíže příbuzné opistokontům, než rizárie, (?parafyletičtí) exkaváti, (parafyletičtí) chromalveoláti a rostliny (Archaeplastida). Ve skutečnosti jsou tyto skupiny všechny příbuzné opistokontům úplně stejně, jelikož spolu tvoří klad, do nějž opistokonti nepatří. Jediné, co mohlo svádět k domněnce, že i s takovouto fylogenetickou pozicí mají Amoebozoa nějak blíž k opistokontům než zbytek eukaryot, je fakt, že na obrázku v knize stojí hned vedle nich, zatímco tady jsou na druhé "straně" stromku. Na tom ale absolutně nezáleží. Důležité není pořadí taxonů, ale pořadí, v jakém se štěpí větve. Každý uzel na kladogramu lze pootočit, takže jediná topologie může být vyjádřena pomocí mnoha různých posloupností terminálních taxonů (tedy "špiček" kladogramu). Pokud se Amoebozoa "odštěpila hned po opistokontní větvi", není blízkým příbuzným této větve. I nadále by byla opistokontům blíž anageneticky než třeba rostliny, ale to jen proto, že neztratila primitivní znaky společného předka eukaryot. A na sdílení primitivních znaků jsou založeny jen parafyletické taxony...


[Editace z 15.9.2011: Jan Zrzavý na mou výhradu odpověděl. S jeho svolením zde proto část jeho e-mailu přetiskuji:

Máte samozřejmě pravdu, i když já vím, jak to vzniklo: z různého kroucení nezakořeněného stromu. On je to vlastně zásadní problém: jak říkat taxonu, který může být podle umístění kořene buď mono-, anebo parafyletický? někdy se říká "convex taxon", ale moc se to neujalo ... no a jak říkat vztahu mezi dvěma druhy takového taxonu, když mi nebudete tolerovat "příbuznost"? tady si [v]ůbec nevybavuju, že bych někde viděl nějaký návrh. Je to dost podstatná věc -- reálně jsou všechny stromy nezakořeněné a teprve pak se k nim přilípne outgroup.

Nakonec tedy šlo spíše o můj omyl při rozeznávání diskuze o nezakořeněných stromech od diskuze o stromech zakořeněných.]


Případ 2: Neexistující centrální linie kladogramu (Wikipedia)

    "Bazální" je dost problematické slovo. Zatímco v některých oborech se přou, která strana stromu je víc bazální, autoři zabývající se systematikou dravých dinosaurů (teropodů) to mají dost jednoduché. Odvození jsou žijící ptáci, čím je nějaká skupina fylogeneticky dál od nich, tím je bazálnější. To samozřejmě vyvolává problémy, když např. budeme chtít mluvit o příbuzenstvích uvnitř žijících ptáků; i zde ale existuje taková tichá dohoda, že skutečně pokročilí jsou pěvci (Passeriformes) a bazální je všechno, co má k pěvcům daleko. (Dotaz, co je potom bazální uvnitř pěvců, je přísně zakázán.) Výsledkem takových smluv je, že žijící ptáci (pěvci) na kladogramech s železnou pravidelností stojí na "privilegované" pozici dole nebo vpravo. To může svádět k domněnce, že zde existuje jakási centrální linie, vedoucí od kořene stromu k žijícím ptákům (pěvcům), a všechny další klady jsou jen nejvýznamnými vedlejšími odbočkami. Skutečně první pokusy o fylogenetické stromy se takhle kreslily: měly krásný vertikální kmen, vedoucí od počátku života k člověku. Dole se z něj odvětvovala různá havěť typu členovců, měkkýšů a dalších "nižších organizmů", která je, pravda, o dost rozmanitější a úspěšnější než organizmy "vyšší". V koruně stromu seděli obratlovci v čele se savci, jejichž korunu zase tvořili primáti a mezi nimi zaujímal čestné místo člověk. Obyčejně bývá jako ukázka této tendence reprodukován Haeckelův stromek z Anthropogenie:

Haeckelův strom s člověkem jako korunou všeho tvorstva (Haeckel 1874) a moderní kladogram archosaurů s důrazem na evoluci ptáků (Livezey & Zusi 2007). Autoři obou těchto stromků dobře věděli, že fylogeneze žádnou centrální linii nemá - přestože jejich výtvory ji zdánlivě vykazují. Haeckelův stromek má na vršku člověka, protože je součástí knihy zabývající se právě lidskou evolucí - autor jinak nakreslil spoustu jiných stromků, ve kterých žádná privilegovaná špička ani centrální kmen není. Stejně tak v kladogramu Livezeye a Zusiho jsou různé skupiny archosaurů zobrazeny jako víceméně nevýznamné "odbočky" na cestě k moderním ptákům (Neornithes) proto, že autorům šlo právě o poslední skupinu. Jiné klady sloužily v analýze jen k tomu, aby kladogram neornitinů zakořenily, tj. aby určily, které znaky jsou primitivní a které odvozené. (Modifikováno z ny-image3.etsy.com a Livezey & Zusi 2007: Figure 12)

    To je pochopitelně absurdní. Napravo/dolů se většinou dává nějaká skupina, jejíž příbuzenství nás zajímá. Benton (2004) např. psal o fylogenetické pozici dinosaurů, a protože to vzal zeširoka, začal u tetrapodů. V jeho kladogramu archosauři stojí napravo, zatímco želvy, ještěři a dokonce i všichni savci a příbuzní (Synapsida) tvoří aktuálně nevýznamné "vedlejší větve". Jenže když se na fylogenezi tetrapodů podívá systematik zabývající se savci, takovou "boční větví" se stanou i sauropsidi se vší svou vnitřní diverzitou, zdaleka překračující savce. "Centrální linie" se zkrátka mění podle toho, odkud se díváme, a protože dívat se můžeme odkudkoli, nic takového vlastně neexistuje. Kladogramy nejsou "žebříkem života", zobrazujícím přechod od nízké havěti k vyšším a ušlechtilým formám. Interpretovat je tak je, slovy Richarda Dawkinse, snobizmus.

    Jenže ne každý si to uvědomuje. Pokud si na anglické wikipedii otevřete článek o troodontidech, můžete (alespoň dnes, 23.1.2011) narazit na tuto větu:

The cladogram published in Hwang et al. found that Archaeopteryx represents a more basal branch of Paraves, and places dromaeosaurids and troodontids as more derived. This raises the possibility that aerodynamic behaviors could be ancestral to all of Deinonychosauria.

    Ta zpráva mě nadchla - rád vyhledávám tak trochu obskurní studie, podle kterých jsou někteří tradičně neptačí teropodi (dromeosauridi, troodontidi, oviraptorosauři) blíže příbuzní žijícím ptákům než Archaeopteryx, tradiční prapták. Mám totiž dojem, že to podporuje myšlenku, že není dobré postavit to, čemu budeme říkat ptáci, právě na archeopterygovi. Našel jsem si tedy referenci a zjistil jsem, že zmíněný kladogram publikovali Hwang et al. (2002). Jenže vypadal takhle:

Kladogram celurosaurů podle Hwang et al. (2002) - zobrazena jen relevantní část. (Modifikováno z Hwang et al. 2002: Figure 31)

    Není zde nic, co by říkalo, že dromeosauridi a troodontidi jsou odvozenější než Archaeopteryx. Jak už bylo uvedeno nahoře, "odvozeností" se v teropodní fylogenezi většinou myslí "blízká příbuznost žijícím ptákům", a zde žijící ptáci nejsou, takže to, zda je jim bližší Archaeopteryx nebo deinonychosauři, nemůžeme určit. Není ale důvod se domnívat, že to nejsou tradiční taxony (Confuciusornis, Archaeopteryx) - zvláště když takové výsledky odkrývají jiné analýzy, založené na Hwangově matrici. Podle čeho neznámý wikipedista usoudil, že dromeosauridi a troodontidi jsou odvozenější? - Zřejmě podle toho, že jsou víc dole. Usazovat žijící ptáky stále na jedno a totéž místo má asi negativní efekt, protože někteří, jako např. onen nešťastný wikipedista, potom začnou předpokládat, že tam musí být stůj co stůj. To je samozřejmě omyl: uzly jsou rotovatelné, a zajímají-li nás dromeosauridi a troodontidi víc než ptáci, můžeme si je klidně posadit dospodu místo nich.

Případ 3: Kam do kladogramu vložit nezahrnuté taxony (Härlid & Arnason 1999)

    Už od dob Huxleyho (1867) tušíme - ačkoli s tím mnoho autorů nesouhlasilo - že základní divergence mezi žijícími ptáky je na paleognáty a neognáty - skupiny s odlišnou stavbou patra. Mezi paleognáty patří běžci a tinamy, mezi neognáty zbytek ptáků. V první polovině dvacátého století se od tohoto pohledu upustilo - běžci byli pokládáni za polyfyletické uskupení neognátních ptáků, které své spojující znaky získaly pedomorfózou neboli neotenií (tj. "zaseknutím se" v rané fázi ontogeneze), a tinamy byly spojovány s hrabavými. V 70. letech ale slovo dostaly molekuly a metodami nejprve dost pochybnými (imunologické elektroforézní analýzy vaječných bílků, DNA-DNA hybridizace) a až později rigorózními (kladistická analýza mitochondriální a jaderné DNA) se divergence mezi paleognáty a neognáty potvrdila.

    Zvrat ale přinesli Mindell et al. (1997), kteří kladistickou analýzou ptačí mitochondriální DNA dospěli k tomu, že nejbazálnější skupinou dnešních ptáků nejsou paleognáti, ale pěvci. To byl naprostý šok, jelikož pěvci až dosud byli považováni za vysoce odvozené neognáty a vzhledem k jejich morfologii to dávalo smysl. Mindellovy výsledky ale potvrzovaly další studie, včetně těch, které měly výhodu bohatšího zastoupení taxonů (Mindell et al. 1999; Härlid et al. 1998). S tvrzením, že Mindellovy výsledky potvrdili, přišli také Härlid & Arnason (1999).
    Průvodním jevem všech těchto studií bylo mizerné zastoupení ptačích terminálních taxonů. Mindell et al. (1997) použili jen 5 ptačích taxonů, Mindell et al. (1999) 7, Härlid et al. (1998) 21. Jen poslední číslo nám jakž takž dovoluje říct něco smysluplného o ptačí fylogenezi - jen pro srovnání; největší morfologický kladistický rozbor analyzoval 150 "druhů" (Livezey & Zusi 2007), největší molekulární 169 (Hackett et al. 2008) a proslulé hybridizační studie Sibleyho a Alquista skoro 1700 (Sibley & Ahlquist 1990). Härlid & Arnason (1999) tento jev nicméně dovedli do extrému: zahrnuli všeho všudy čtyři ptačí taxony - havrana polního (Corvus frugilegus) jako zástupce pěvců (Passeriformes), slepici (Gallus gallus) jako zástupce hrabavých (dle záměru autorů reprezentujících neognáty jiné než pěvce), pštrosa dvouprstého (Struthio camelus) a nandu pampového (Rhea americana) jako zástupce běžců (Ratitae). Bez zbytečného protahování - vyšla jim tato topologie:

Kladogram ptáků: havran (rook) stojí mimo skupinu tvořenou slepicí (chicken), pštrosem (ostrich) a nandu (rhea). Co to ovšem znamená pro bazální divergence mezi žijícími ptáky? Bez více taxonů asi vůbec nic. (Modifikováno z Härlid & Arnason 1999: Figure 1)

    Autoři si výsledek vyložili tak, že pěvci tvoří jednu větev Neornithes a všichni ostatní ptáci druhou. To by byl fantastický výsledek: znamenal by, že máme pěvce hledat už v pěkně starých křídových vrstvách (podle Härlid a Arnasona už před 114 miliony let) a že bychom měli předka žijících ptáků rekonstruovat spíš jako něco mezi holubem, tyranem a pokřovníkem než mezi drůběží a tinamami. Museli bychom vysvětlit, jak paleognáti přišli ke svému paleognátnímu patru a zřejmě bychom opět oživili hypotézu o neotenii. Velké stáří pěvců by nám také osvětlilo, proč je diverzita této skupiny tak obrovská - něco málo přes polovinu žijících ptáků tvoří právě pěvci.
    Jenže Härlid a Arnason ignorovali jednu věc: slepice není pro takovou analýzu vhodná jako zástupce neognátů. Je totiž neognátem pěkně bazálním (Sibley & Ahlquist 1990; Hackett et al. 2008) a dlouhou dobu byla dokonce spojována s paleognátními tinamami. Drůbež skutečně sdílí s paleognáty celou řadu znaků, a přestože jsme si prakticky jistí, že jde o znaky primitivní, některé fenetické analýzy na jejich základě slepici spolu se zbytkem drůbeže posadily blíže paleognátům než neognátům (např. Sibley et al. 1988). Takový výsledek je plně kompatibilní s tím, co vidíme u Härlida a Arnasona. To by ovšem neznamenalo nečekanou pozici pěvců, ale "jen" nečekanou pozici slepice (a další drůbeže). Pěvci by nadále byli odvozenými neognáty s nijak výjimečným evolučním stářím a prakticky nulovým významem pro rekonstrukci společného ptáka všech moderních ptáků.
    Pravdou je, že Härlid & Arnason (1999) si tuto chybu uvědomili a ve studii odkázali na svou starší studii (Härlid et al. 1998), ve které se další skupiny neognátů (lelkové, trubkonosí, vrubozobí a "krátkokřídlí") skutečně přidaly na pštrosí a slepičí stranu stromku spíše než na tu pěvčí. Stejně tak bazální pozici pěvců potvrzovala nepublikovaná data, na která autoři odkazovali a která zahrnovala ještě papoušky, šplhavce, dravce a měkkozobé. V tom případě ale rozhodně neměla zůstat nepublikovaná. Kde se budou na kladogramu nacházet další taxony nelze zjistit jen z toho, že se na stromek podíváme: je potřeba doplnit je do datové matrice. Bez toho je těžké určit, jestli nová analýza říká něco nového o slepici, nebo o havranovi.

    Jak je vidět, číst v kladogramu je někdy dost obtížné, a i kompetentní osoby to ne vždy zvládají. Možná, že tady spočívá důvod v dosavadním nedostatečném přijetí fylogenetické nomenklatury: tradiční, linnéovské taxony jsou nezávislé na tom, jak vypadá stromek. Ty definované ne.

Zdroje:

• http://en.wikipedia.org/wiki/Troodontidae
• Benton MJ 2004 Origin and Relationships of Dinosauria. In Weishampel DB, Dodson P, Osmólska H, eds, The Dinosauria Second Edition. Berkeley, CA: Univ of California Press. 7–19
• Hackett SJ, Kimball RT, Reddy S, Bowie RC, Braun EL, Braun MJ, Chojnowski JL, Cox WA, Han K, Harshman J, Huddleston CJ, Marks BD, Miglia KJ, Moore WS, Sheldon FH, Steadman DW, Witt CC, Yuri T 2008 A phylogenomic study of birds reveals their evolutionary history. Science 320(5884): 1763–8
• Härlid A, Arnason U 1999 Analyses of mitochondrial DNA nest ratite birds within the Neognathae: supporting a neotenous origin of ratite morphological characters. Proc R Soc Lond B Biol Sci 266(1416): 305–9
• Härlid A, Janke A, Arnason U 1998 The complete mitochondrial genome of Rhea americana and early avian divergences. J Mol Evol 46: 669–79
• Haeckel E 1874 Anthropogenie oder Entwickelungsgeschichte des Menschen. Gemeinverständliche wissenschaftliche Vorträge über die Grundzüge der menschlichen Keimes- und Stammes-Geschichte. Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann
• Huxley TH 1867 On the classification of birds: and on the taxonomic value of the modifications of certain of the cranial bones observable in that class. Proc Zool Soc Lond 1867: 415–72
• Hwang SH, Norell MA, Ji Q, Gao K-Q 2002 New specimens of Microraptor zhaoianus (Theropoda: Dromaeosauridae) from Northeastern China. Am Mus Novit 3381: 1–44
• Livezey BC, Zusi RL 2007 Higher-order phylogeny of modern birds (Theropoda, Aves: Neornithes) based on comparative anatomy. II. Analysis and discussion. Zool J Linn Soc 149(1): 1–95
• Mindell DP, Sorenson MD, Huddleston CJ, Miranda HC Jr, Knight A, Sawchuk SJ, Yuri T 1997 Phylogenetic relationships among and within select avian orders based on mitochondrial DNA. 213–47 in Mindell DP, ed, Avian molecular evolution and systematics. San Diego: Acad Press
• Mindell DP, Sorenson MD, Dimchev DE, Hasegawa M, Ast JC, Yuri T 1999 Interordinal relationships of birds and other reptiles based on whole mitochondrial genomes. Syst Biol 48(1): 138–52
• Sibley CG, Ahlquist JE 1990 Phylogeny and Classification of Birds. New Haven: Yale Univ Press. 1008 p
• Sibley CG, Ahlquist JE, Monroe BL Jr 1988 A classification of the living birds of the world based on DNA–DNA hybridization studies. Auk 105(3): 409–23
• Zrzavý J 2006 Fylogeneze živočišné říše. Praha: Nakladatelství Scientia. 255 p