Viz také:
(Upozornění: tento článek zrazuje jméno blogu, jelikož o pan-avianech dnes nepadne ani zmínka. Ale nejsou snad želvy taky zajímavé?)
- In molecules we trust
- In molecules we trust: morfologie potvrzuje genetickou hypotézu o polyfylii běžců ("Ratitae")
(Upozornění: tento článek zrazuje jméno blogu, jelikož o pan-avianech dnes nepadne ani zmínka. Ale nejsou snad želvy taky zajímavé?)
Když jsem před dvěma týdny napsal článek o sporech mezi molekulárními a morfologickými daty v současné fylogenetice, jednu z hlavních rolí v něm hrály želvy a konflikt o to, do jakého místa sauropsidního vývojového stromu patří. Je to neuvěřitelné, ale zatímco ještě čtrnáct dní zpátky vypadala situace bezradně, ve včerejší den se objevilo velice nadějné řešení.
Nejsem příznivcem ilustračních obrázků, ale před týdnem jsem byl v Zoo Praha a byla by škoda tuhle fotku nevyužít. Takže: želva sloní (Chelonoidis nigra). Nyní se soustřeďme na její fylogenetickou pozici! (Zdroj: autorova vlastní fotografie)
1. Úvod do problému
Želvy bezpochyby patří mezi sauropsidy, čili do klad zahrnujícího šupinaté, hatérie, krokodýly, pan-aviany včetně žijících ptáků a všechny organizmy, které mají k těmto skupinám blíž než k savcům. V tradiční klasifikaci založené na počtu spánkových oken, jejíž přesnost je stejně jako u každé jiné klasifikace postavené na jediném znaku krajně pochybná, patří želvy mezi tzv. anapsidy, čili amnioty bez spánkových oken. (Synapsidi včetně savců mají jedno spánkové okno, které se např. u člověka druhotně uzavřelo, zatímco diapsidi – hatérie, šupinatí a krokodýli – mají spánková okna dvě. Moderním ptákům spánková okna splynula navzájem a s očnicí, ale jejich předci [dokonce včetně už celkem pokročilých enantiornitů] měli spánková okna také dvě.) Otázkou ovšem je, zda je u nich absence spánkových oken primitivní, nebo odvozená z původně diapsidního stavu.
Existuje několik skupin prvohorních sauropsidů, kteří spánková okna téměř jistě postrádají primitivně: kaptorinidi, mezosauridi (neplést s diapsidními mořskými mosasauridy, kteří žili daleko později), millerettidi, pareiasauři a prokolofonoidi. Jejich spřízněnost s želvami je ovšem nejistá. Gauthier et al. (1988) navrhli, že všechny výše uvedené skupiny krom kaptorinidů tvoří jediný klad, Parareptilia (dále "paraplazi"). Jméno by to bylo příhodné, neboť by na kladogramu tvořily sesterskou skupinu ke kladu tvořenému všemi zvířaty, která byla historicky nazývána "plazy". Želvy byly v této fylogenezi nejblíže kaptorinidům, pořád by ovšem stály mimo diapsidy.* Reisz & Laurin (1991) nicméně nesouhlasili. Na základě poznatků získaných z nových exemplářů drobného sauropsida jménem Owenetta, který žil na přelomu permu a triasu na území dnešní jižní Afriky, navrhli, že na paraplazech ve skutečnosti nic "para" není, protože mezi ně patří želvy jakožto praví plazi. Konkrétně by želvy měly mít nejblíž k prokolofonoidům. Skupina zahrnující všechny sauropsidy bez spánkového okna, tvořená želvami a (nyní parafyletickými) paraplazy, by se nyní jmenovala Anapsida.
Lee (1993) protestoval i proti tomu. Podle něj sice želvy mezi paraplazy opravdu patří, jsou ale sesterskou skupinou k pareiasaurům, nikoli prokolofonoidům. Kdybychom ale na kladogramu ponechali jen žijící taxony, znamenala by Laurinova a Leeova hypotéza totéž. Oba autoři dokázali v následujících letech své hypotézy podložit: Laurin & Reisz (1995) zahrnuli Leeho data ohledně pareiasaurů a stále vykrývali jako sesterskou skupinu želv prokolofonoidy. Lee (1994, 1995, 1996) kontroval s analýzami podporujícími pareiasauří hypotézu a v roce 1997 dokonce vykryl želvy mezi pareiasaury (Lee 1997a), jako sesterskou skupinu vůči špatně známému odvozenému taxonu Anthodon.
S daleko radikálnějším závěrem než Laurin a Lee, hádající se o přesnou pozici non-diapsidních želv, přišli Rieppel & deBraga (1996). Podle nich želvy nejenže patří mezi diapsidy, ale mají i docela blízko k lepidosaurům (Lepidosauria = Squamata [šupinatí] + Sphenodontia [hatérie]). Totéž potvrdila analýza provedená oběma autory o rok později, která se záměrně snažila zahrnout co největší množství potenciálně relevantních prvohorních a raně-mezozoických sauropsidů (deBraga & Rieppel 1997). Lee (1997b) opravil to, co podle něj představovalo chyby v kódování v deBragově a Rieppelově matrici, a zjistil, že nová verze spíš podporuje než vyvrací tradiční hypotézu (tedy non-diapsidní želvy).
Spory o příbuzenství želv sice pokračovaly i nadále, od roku 1997 ale nenavrhla morfologie nic radikálně nového (s jedinou výjimkou, zmíněnou níže). Müller (2004) podpořil lepidosauromorfní identitu želv, na rozdíl od Rieppela a deBragy, kteří je spojili s vymřelým mořským kladem euryapsidů (který zahrnoval ichtyosaury, plesiosaury, notosaury a plakodonty, disponoval jediným spánkovým oknem a vůbec nemusí být monofyletický), je však odhalil jako skutečnou sesterskou skupinu lepidosaurů. Merck (1997) odhalil monofyletické euryapsidy, na rozdíl od deBragy a Rieppela nicméně mezi archosauromorfy. Zda jeho nová zjištění dokážou přetáhnout do archosauromorfů i želvy nebo zda klad želvy/euryapsidi zlomí, se ukázalo být dosti nejednoznačným. Li et al. (2008) opět podpořili hypotézu, že z žijících zvířat mají želvy nejblíž právě k lepidosaurům, avšak poslední velký morfologický rozbor dal za pravdu spíš Laurinově prokolofonoidní hypotéze, byť nijak jednoznačně (Lyson et al. 2010).
*Aby bylo v názvosloví jasno: jméno Diapsida a jeho počeštělý ekvivalent zde používám pro uzel, skládající se z lepidosauromorfní a archosauromorfní větve. Lepidosauromorpha zahrnuje hatérie, šupinaté (tedy gekony, scinky, dvojplazy, leguány, hady a anguimorfy) a všechny vymřelé taxony, které mají k šupinatým a hatériím blíž než ke krokodýlům či ptákům (tedy např. plesiosaury, plakodonty a notosaury). Archosauromorpha je doplňkovou skupinou a zahrnuje naopak krokodýly, ptáky a všechny vymřelé taxony, které k nim mají blíž než k hatériím či šupinatým (tedy neptačí dinosaury, pterosaury, prolacertiformy, erytrosuchidy, euparkeriidy atd.). Pro stejný klad se někdy používá i jméno Sauria. Jeho doslovný význam je "ještěři", takže na jednu stranu nemusíme protestovat, když tak někdo bude nazývat dinosaury, na druhou stranu bychom se museli smířit s tím, že "ještěry" budou nade vší pochybnost i ptáci. Jako by to nestačilo, Gauthier et al. (1988) definovali jméno Reptilia (čili plazy) jako "posledního společného předka žijících želv, saurů a všechny jeho potomky", takže kdyby Sauria zahrnovalo i želvy, bylo by rázem k dispozici i třetí jméno.
Úplně jinak se na problém dívala molekulární fylogenetika. Její pohled na věc jsem už částečně shrnul v minulém článku, takže jenom stručně: mitochondriální sekvence poměrně konzistentně vykrývají želvy na sesterské pozici vůči archosaurům (ptáci + krokodýli). Jaderné geny tak jednoznačné nejsou a někdy dokonce ukázaly celkem šílené věci, jako např. klad (želvy + krokodýli), který nezahrnoval ptáky (Hedges & Poling 1999; Mannen & Li 1999). Fosilní záznam krokodýlí linie archosaurů je přece jen trochu moc kompletní na to, aby něco takového umožňoval. Časem se ale i jaderné geny přeorientovaly na reálnější sesterský vztah mezi želvami a archosaury coby celkem. Jediná studie, která byla kompatibilní s nějakou morfologickou hypotézou, se ve skutečnosti zabývala obojživelníky a všechny amnioty včetně želv používala jen jako outgroup (Frost et al. 2006).
2. Lyson, Bever a Bhullar: dva roky, tři hypotézy
V roce 2009 rozvířili vody morfologických hypotéz o původu želv Bhullar a Bever, když poukázali na to, že jedna z želvích klínových kostí (laterosfenoid) se silně podobá témuž elementu u archosauriformů. Zatímco dosavadní pokusy o syntézu morfologické a molekulární evidence (tzv. total-evidence rozbory) naznačovaly, že pravdu má morfologie, Bhullar a Bever dokázali morfologicky podložit zdaleka nejvěrohodnější molekulární hypotézu. Nejen to, dokázali dokonce (po úpravě jedné poměrně staré datové matrice) odkrýt želvy uvnitř diapsidů a archosauromorfů v morfologické kladistické analýze, přestože ta z nějakého podivného důvodu pokládala za nejúspornější scénář dvojitý vznik laterosfenoidu, znaku, který tuto pozici podporuje nejvíc.
O rok později se nicméně Bhullar i Bever dali dohromady s T. Lysonem, expertem na želví paleontologii W. Joyce'em a veteránem rané kladistiky (a "vynálezcem" fylogenetické nomenklatury) J. Gauthierem. Společně pak vzali datovou matrici z Li et al. (2008), přidali k ní 7 znaků a 2 taxony (pan-želvy Odontochelys a Proganochelys) a projeli ji PAUPem. Jak už jsem uvedl výše, na výsledném stromku o délce 483 kroků se želvy ukázaly jako sesterská skupina prokolofonoidů a tím pádem jako non-diapsidi. Mickey Mortimer nicméně na svém blogu demonstroval, že výsledky Lysona et al. (2010) mají daleko k tomu, aby je šlo považovat za "morfologické poslední slovo". Stačilo by pouhých 7 kroků navíc (a s několika úpravami původní matrice dokonce jen 3 kroky), aby želvy vklouzly mezi diapsidy, a to konkrétně do lepidosauromorfů.
Jaké je proto překvapení, když včera žurnál Biology Letters zveřejnil na svých stránkách online preprint nové publikace Lysona a kolektivu, která argumentuje právě pro tento vztah. Na studii se již nepodílí Bhullar a Bever (že by se jim nechtělo obhajovat už třetí radikálně odlišnou hypotézu během dvou let?), Gauthier nicméně mezi autory zůstal. Ještě než vědce obviníme z toho, že si nedokážou stát za svým slovem a ani pořádně nevědí, jakou hypotézu vlastně zastávají, měl bych zdůraznit, že Lyson et al. (2011) už nespoléhají na morfologickou, nýbrž na molekulární evidenci, a to na její poměrně neobvyklý druh.
3. Lyson et al. (2011) o fylogenetické pozici želv
Autoři se nepokusili rozřešit vztahy želv v rámci amniot hrubou silou, čili analýzou několik desítek jaderných genů, jak se to dnes běžně dělá ve fylogenetice savců či ptáků. Do centra jejich pozornosti se místo toho dostala tzv. mikroRNA (dále miRNA). miRNA jsou velmi krátké molekuly nekódující, jednovlákenné RNA o délce od 21 do 23 nukleotidů, které nalezneme v cytoplazmě většiny eukaryotických buněk. Jde o tzv. posttranskripční regulátory genové exprese. Jejich funkce se liší u rostlin a živočichů, v obou případech se ale krátké řetězce miRNA navážou na částečně či dokonale komplementární řetězce mediátorové RNA (mRNA), které jsou na ribozómech překládány do bílkovin (= translace). U živočichů způsobí navázání miRNA na mRNA právě utlumení translačního procesu. miRNA rovněž může stát za posttranslačními modifikacemi histonů (bílkovin tvořících chromatin, výplň buněčného jádra, z níž se spiralizují chromozomy) a způsobuje DNA metylaci promotorů – míst, kde začíná transkripce nějakého genu. Tím vlastně potlačuje expresi daného genu ještě před tím, než vůbec dostane šanci být přepsán do mRNA.
Pro fylogenetiku mají miRNA zvláštní význam proto, jak pomalu se v nich hromadí mutace. (Viz např. Wheeler et al. 2009. Není bez zajímavosti, že tři autoři této studie – Heimberg, Sperling a Peterson – se podílejí i na nové želví práci.). Nová miRNA vznikají náhodně v intronových nebo mezigenových regionech, případně duplikací již existujících miRNA-kódujících genů. Jakmile se však jednou začlení do složité sítě regulující genovou expresi, mutace se v nich objevují jen velmi, velmi vzácně (často s pomalejším tempem než jedna substituce za sto milionů let) a stejně vzácné jsou i druhotné ztráty. To činí z miRNA vynikající materiál pro fylogenetický výzkum, a pokud měli Wheeler et al. (2009) pravdu, může být jejich význam pro evoluci ještě hlubší, neboť právě vznik a inovace těchto molekul mohou stát za rychlými "explozemi" morfologických novinek.
miRNA má tedy vynikající předpoklady k tomu, aby rozřešila dlouhotrvající fylogenetický oříšek, jakým je pozice želv. Lyson et al. (2011) otestovali anolise rudokrkého (Anolis carolinensis), želvu pestrou (Chrysemys picta bellii) a aligátora amerického (Alligator mississippiensis) na přítomnost či absenci specifických molekul miRNA a zjistili, že analýza jednoznačně podporuje klad (želvy + lepidosauři). Obě skupiny sdílejí čtyři rodiny miRNA-kódujících genů, zatímco želvy s krokodýly nedisponují žádnou společnou genovou rodinou, kterou by lepidosauři postrádali, a ani všichni tradiční diapsidi nesdílejí žádný typ miRNA, který by chyběl želvám. V kombinaci s výše zmíněným poznatkem, podle nějž jsou druhotné ztráty miRNA extrémně vzácné, se zdá být lepidosauromorfní hypotéza velmi pravděpodobná. Autoři nezapomněli připomenout, že jejich výsledky jsou ve shodě s některými morfologickými analýzami (čímž jsou jistě myšleny ty od deBragy a Rieppela) a že vyžadují četné konvergence a druhotné ztráty morfologických znaků, včetně uzavření dvou lebečních oken.
Co je ale jedna nová molekulární studie oproti mnoha předchozím, které prozkoušely mitochondriální genomy i několik desítek jaderných genů? Jak uvedl jeden ze spoluautorů studie Kevin Peterson pro server ECN, docela hodně. Autoři se zde nedívali na relativně krátké výseky jaderného genomu, ale na všechny molekuly miRNA, které buňky zkoumaných taxonů obsahovaly – a těch je několik tisícovek. Přesto Peterson neoznačuje výsledky nové analýzy za definitivní: bylo by minimálně zajímavé získat miRNA od většího množství taxonů. Opatrný optimizmus se ale přesto zdá být docela na místě.
4. Důsledky pro spor "morfologie verzus molekuly"
Přestože přední paleontolog Mike Benton v komentáři pro Nature News napsal, že v případě želv je to "the first time we have anatomy and molecules seeming to agree", můj dojem je úplně jiný: spor o pozici želv už nadále není sporem mezi molekulami a morfologií. Lze to velmi jednoduše ukázat:
5. Důsledky pro názvosloví
Fylogenetická nomenklatura se musela už v rané fázi své existence porvat s problémem jména Reptilia, vědeckého názvu pro "plazy". Ve svém úplně nejklasičtějším významu jsou "plazi" "třídou" na úrovni savců či ptáků, která zahrnuje krokodýly (Crocodylia), hady (Serpentes), "ještěry" ("Lacertilia"), hatérie (Sphenodon) a želvy (Testudines). "Ještěry" i jejich formální ekvivalent dávám do uvozovek, protože je už dlouho zřejmé, že jde o umělou, parafyletickou skupinu. Jak je patrné z kladogramu výše, někteří jejich tradiční zástupci (leguáni, varani) mají blíž k hadům, kteří mezi "ještěry" nepatří, než k jiným "ještěrům", jako jsou např. gekoni. Jenže stejně jako jsou parafyletičtí "ještěři", jsou umělou skupinou i samotní "plazi". Poslední společný předek krokodýlů, hadů a želv byl totiž bez nejmenších pochyb také předkem ptáků. Navíc jsou ptáci vhnízdění v rámci "plazů" pěkně hluboko: nejenže nelze mít vrabce mezi ptáky a tyrannosaura už mezi "plazy", ale dokonce i tak plazovití plazi, jakými jsou krokodýli, mají daleko blíž k ptákům než např. k ještěrkám.
Existuje několik pokusů o to, jak se s tímto faktem v názvosloví vyrovnat. Někteří autoři upřednostňují úplné opuštění pojmu Reptilia a možná i jeho neformálního ekvivalentu a raději by jej nahradili jménem Sauropsida. Ten lze vystopovat už k Huxleymu a má tu výhodu, že už od začátku byl navrhován jako označení pro přirozenou skupinu, zahrnující ptáky a "plazy" s vyloučením savců. O to se pokouším i já tady na blogu. Pokud sauropsidy přijmeme, stane se celý systém amniot velmi elegantním: máme tady synapsidy, tedy savce a všechny vymřelé taxony, kteří mají k savcům blíž než k ptákům, a sauropsidy, čili ptáky a "plazy" plus vše, co k nim má blíž než k savcům. Jde o dvě ideálně komplementární skupiny: kterýkoli zástupce Amniota, který nespadá do jedné, musí nutně patřit do druhé. Skvrnka na kráse tohoto řešení je jen jedna, za to dost podstatná. Když se řekne "sauropsid", nikdo nebude vědět, o čem je řeč. Když se řekne "plaz", je to hned jasné a navíc informativnější (jelikož víme, že jde o sauropsida zachovávajícího hned několik primitivních znaků, jako je studenokrevnost nebo šupinatý pokryv těla).
Někteří se proto pokusili přenést obsah sauropsidů pod tradiční jméno Reptilia. Tím by sice explicitně porušili úmysl původního autora (Linného) a znásilnili by nomenklatorickou tradici táhnoucí se přes dvě století, podle níž ptáci do "plazů" prostě nepatří, na druhou stranu by ale klad dostal známější jméno a nemuseli bychom se plazů (nyní monofyletických, proto bez uvozovek) vzdávat. Přesně takto definovali jméno Reptilia Modesto & Anderson (2004): nejširší klad zahrnující ještěrku obecnou (Lacerta agilis) a krokodýla nilského (Crocodylus niloticus), který ale nezahrnuje člověka rozumného (Homo sapiens). Nyní by tedy platilo, že Amniota = Reptilia + Synapsida. Jedním z hlavních argumentů Modesta a Andersona byla námitka (zmíněná v poznámce uvedené výše), že v případě želví pozice uvnitř saurů by se Reptilia sensu Gauthier stala synonymem jména Sauria.
Třetí řešení, pokud vím, nebylo nikde formálně navrženo, je však docela často používané. V něm by jména Sauropsida a Reptilia koexistovala jako označení pro dva různé klady. Reptilia sensu Gauthier et al. (1988) odkazuje na posledního společného předka želv a saurů plus všechny jeho potomky, čili na tzv. korunní klad: nejmenší monofyletickou skupinu, tvořenou všemi žijícími zástupci nějakého taxonu. Sauropsida sensu Gauthier (1994) naopak odpovídá tzv. "total kladu", což je korunní klad plus všechno vymřelé, co k němu má blíž než k jinému korunnímu kladu. Pokud tedy paraplazi nezahrnují želvy, stávají se spolu s kaptorinidy, younginiformy atd. neplazími sauropsidy. Osobně se mi takové řešení docela líbí, přestože se nevyhneme sporům o to, zda se pro klad (Archosauromorpha + Lepidosauromorpha) opravdu jméno Reptilia hodí víc než Sauria nebo Diapsida. Sám bych doporučil jméno Sauria opustit a Diapsida použít v apomorphy-based smyslu, tedy pro všechny sauropsidy, kteří mají dva spánkové otvory. (Krom Reptilia by takto pojatí diapsidi zahrnovali i fosilní younginiformy, areoskelidy [Araeoscelidia], talattosaury, ...)
Čtvrté řešení je výrazem zoufalství: omezit Reptilia na lepidosaury a nazývat plazy pouze hatérie a šupinaté. Z pěti skupin, které jsem zmínil na začátku kapitoly jako tradiční plazy, by nový význam zahrnoval tři. Želvy ani krokodýli by už mezi plazy nepatřily. Můžeme se ptát, zda náhodou nejde o ještě horší porušení tradice, než Reptilia sensu Modesto & Anderson, které aspoň zahrnuje všechno, co zahrnovat má. Toto řešení má ovšem svého mocného zastánce: Centrum severoamerické herpetologie (CNAH). Jeho tiskové materiály tak dnes úplně běžně mluví o "plazech a želvách".
Právě zde přitom přichází vhod nová studie Lysona a kolektivu. Pokud by želvy patřily mezi lepidosauromorfy, mohli bychom pojem Reptilia omezit právě na tento klad (nebo nějakou jeho podskupinu; nikdo konec konců neříká, že želvy jsou ti nejbazálnější lepidosauromorfové, které známe). Pak bychom měli s tradičním užíváním shodu ve 4 z 5 skupin, což už není tak špatné. Z žijících taxonů by se plazi museli rozloučit pouze s krokodýly. U těch fosilních by změny byly drastičtější: na to, že "plazi" nejsou dobrým označením snad pro nic z ptačí linie archosaurů (pan-Aves) už jsme si zvykli, ale teď by nebylo možné nazývat takto ani krokodýlí linii archosaurů (Crurotarsi) či bazální archosauromorfy typu prolacertiformů či euparkerie, o taxonech stojících mimo saury ani nemluvě. Přesto je dobré vědět, že tato možnost zůstává otevřená.
Zdroje:
Existuje několik skupin prvohorních sauropsidů, kteří spánková okna téměř jistě postrádají primitivně: kaptorinidi, mezosauridi (neplést s diapsidními mořskými mosasauridy, kteří žili daleko později), millerettidi, pareiasauři a prokolofonoidi. Jejich spřízněnost s želvami je ovšem nejistá. Gauthier et al. (1988) navrhli, že všechny výše uvedené skupiny krom kaptorinidů tvoří jediný klad, Parareptilia (dále "paraplazi"). Jméno by to bylo příhodné, neboť by na kladogramu tvořily sesterskou skupinu ke kladu tvořenému všemi zvířaty, která byla historicky nazývána "plazy". Želvy byly v této fylogenezi nejblíže kaptorinidům, pořád by ovšem stály mimo diapsidy.* Reisz & Laurin (1991) nicméně nesouhlasili. Na základě poznatků získaných z nových exemplářů drobného sauropsida jménem Owenetta, který žil na přelomu permu a triasu na území dnešní jižní Afriky, navrhli, že na paraplazech ve skutečnosti nic "para" není, protože mezi ně patří želvy jakožto praví plazi. Konkrétně by želvy měly mít nejblíž k prokolofonoidům. Skupina zahrnující všechny sauropsidy bez spánkového okna, tvořená želvami a (nyní parafyletickými) paraplazy, by se nyní jmenovala Anapsida.
Lee (1993) protestoval i proti tomu. Podle něj sice želvy mezi paraplazy opravdu patří, jsou ale sesterskou skupinou k pareiasaurům, nikoli prokolofonoidům. Kdybychom ale na kladogramu ponechali jen žijící taxony, znamenala by Laurinova a Leeova hypotéza totéž. Oba autoři dokázali v následujících letech své hypotézy podložit: Laurin & Reisz (1995) zahrnuli Leeho data ohledně pareiasaurů a stále vykrývali jako sesterskou skupinu želv prokolofonoidy. Lee (1994, 1995, 1996) kontroval s analýzami podporujícími pareiasauří hypotézu a v roce 1997 dokonce vykryl želvy mezi pareiasaury (Lee 1997a), jako sesterskou skupinu vůči špatně známému odvozenému taxonu Anthodon.
S daleko radikálnějším závěrem než Laurin a Lee, hádající se o přesnou pozici non-diapsidních želv, přišli Rieppel & deBraga (1996). Podle nich želvy nejenže patří mezi diapsidy, ale mají i docela blízko k lepidosaurům (Lepidosauria = Squamata [šupinatí] + Sphenodontia [hatérie]). Totéž potvrdila analýza provedená oběma autory o rok později, která se záměrně snažila zahrnout co největší množství potenciálně relevantních prvohorních a raně-mezozoických sauropsidů (deBraga & Rieppel 1997). Lee (1997b) opravil to, co podle něj představovalo chyby v kódování v deBragově a Rieppelově matrici, a zjistil, že nová verze spíš podporuje než vyvrací tradiční hypotézu (tedy non-diapsidní želvy).
Spory o příbuzenství želv sice pokračovaly i nadále, od roku 1997 ale nenavrhla morfologie nic radikálně nového (s jedinou výjimkou, zmíněnou níže). Müller (2004) podpořil lepidosauromorfní identitu želv, na rozdíl od Rieppela a deBragy, kteří je spojili s vymřelým mořským kladem euryapsidů (který zahrnoval ichtyosaury, plesiosaury, notosaury a plakodonty, disponoval jediným spánkovým oknem a vůbec nemusí být monofyletický), je však odhalil jako skutečnou sesterskou skupinu lepidosaurů. Merck (1997) odhalil monofyletické euryapsidy, na rozdíl od deBragy a Rieppela nicméně mezi archosauromorfy. Zda jeho nová zjištění dokážou přetáhnout do archosauromorfů i želvy nebo zda klad želvy/euryapsidi zlomí, se ukázalo být dosti nejednoznačným. Li et al. (2008) opět podpořili hypotézu, že z žijících zvířat mají želvy nejblíž právě k lepidosaurům, avšak poslední velký morfologický rozbor dal za pravdu spíš Laurinově prokolofonoidní hypotéze, byť nijak jednoznačně (Lyson et al. 2010).
*Aby bylo v názvosloví jasno: jméno Diapsida a jeho počeštělý ekvivalent zde používám pro uzel, skládající se z lepidosauromorfní a archosauromorfní větve. Lepidosauromorpha zahrnuje hatérie, šupinaté (tedy gekony, scinky, dvojplazy, leguány, hady a anguimorfy) a všechny vymřelé taxony, které mají k šupinatým a hatériím blíž než ke krokodýlům či ptákům (tedy např. plesiosaury, plakodonty a notosaury). Archosauromorpha je doplňkovou skupinou a zahrnuje naopak krokodýly, ptáky a všechny vymřelé taxony, které k nim mají blíž než k hatériím či šupinatým (tedy neptačí dinosaury, pterosaury, prolacertiformy, erytrosuchidy, euparkeriidy atd.). Pro stejný klad se někdy používá i jméno Sauria. Jeho doslovný význam je "ještěři", takže na jednu stranu nemusíme protestovat, když tak někdo bude nazývat dinosaury, na druhou stranu bychom se museli smířit s tím, že "ještěry" budou nade vší pochybnost i ptáci. Jako by to nestačilo, Gauthier et al. (1988) definovali jméno Reptilia (čili plazy) jako "posledního společného předka žijících želv, saurů a všechny jeho potomky", takže kdyby Sauria zahrnovalo i želvy, bylo by rázem k dispozici i třetí jméno.
Úplně jinak se na problém dívala molekulární fylogenetika. Její pohled na věc jsem už částečně shrnul v minulém článku, takže jenom stručně: mitochondriální sekvence poměrně konzistentně vykrývají želvy na sesterské pozici vůči archosaurům (ptáci + krokodýli). Jaderné geny tak jednoznačné nejsou a někdy dokonce ukázaly celkem šílené věci, jako např. klad (želvy + krokodýli), který nezahrnoval ptáky (Hedges & Poling 1999; Mannen & Li 1999). Fosilní záznam krokodýlí linie archosaurů je přece jen trochu moc kompletní na to, aby něco takového umožňoval. Časem se ale i jaderné geny přeorientovaly na reálnější sesterský vztah mezi želvami a archosaury coby celkem. Jediná studie, která byla kompatibilní s nějakou morfologickou hypotézou, se ve skutečnosti zabývala obojživelníky a všechny amnioty včetně želv používala jen jako outgroup (Frost et al. 2006).
2. Lyson, Bever a Bhullar: dva roky, tři hypotézy
V roce 2009 rozvířili vody morfologických hypotéz o původu želv Bhullar a Bever, když poukázali na to, že jedna z želvích klínových kostí (laterosfenoid) se silně podobá témuž elementu u archosauriformů. Zatímco dosavadní pokusy o syntézu morfologické a molekulární evidence (tzv. total-evidence rozbory) naznačovaly, že pravdu má morfologie, Bhullar a Bever dokázali morfologicky podložit zdaleka nejvěrohodnější molekulární hypotézu. Nejen to, dokázali dokonce (po úpravě jedné poměrně staré datové matrice) odkrýt želvy uvnitř diapsidů a archosauromorfů v morfologické kladistické analýze, přestože ta z nějakého podivného důvodu pokládala za nejúspornější scénář dvojitý vznik laterosfenoidu, znaku, který tuto pozici podporuje nejvíc.
O rok později se nicméně Bhullar i Bever dali dohromady s T. Lysonem, expertem na želví paleontologii W. Joyce'em a veteránem rané kladistiky (a "vynálezcem" fylogenetické nomenklatury) J. Gauthierem. Společně pak vzali datovou matrici z Li et al. (2008), přidali k ní 7 znaků a 2 taxony (pan-želvy Odontochelys a Proganochelys) a projeli ji PAUPem. Jak už jsem uvedl výše, na výsledném stromku o délce 483 kroků se želvy ukázaly jako sesterská skupina prokolofonoidů a tím pádem jako non-diapsidi. Mickey Mortimer nicméně na svém blogu demonstroval, že výsledky Lysona et al. (2010) mají daleko k tomu, aby je šlo považovat za "morfologické poslední slovo". Stačilo by pouhých 7 kroků navíc (a s několika úpravami původní matrice dokonce jen 3 kroky), aby želvy vklouzly mezi diapsidy, a to konkrétně do lepidosauromorfů.
Jaké je proto překvapení, když včera žurnál Biology Letters zveřejnil na svých stránkách online preprint nové publikace Lysona a kolektivu, která argumentuje právě pro tento vztah. Na studii se již nepodílí Bhullar a Bever (že by se jim nechtělo obhajovat už třetí radikálně odlišnou hypotézu během dvou let?), Gauthier nicméně mezi autory zůstal. Ještě než vědce obviníme z toho, že si nedokážou stát za svým slovem a ani pořádně nevědí, jakou hypotézu vlastně zastávají, měl bych zdůraznit, že Lyson et al. (2011) už nespoléhají na morfologickou, nýbrž na molekulární evidenci, a to na její poměrně neobvyklý druh.
3. Lyson et al. (2011) o fylogenetické pozici želv
Autoři se nepokusili rozřešit vztahy želv v rámci amniot hrubou silou, čili analýzou několik desítek jaderných genů, jak se to dnes běžně dělá ve fylogenetice savců či ptáků. Do centra jejich pozornosti se místo toho dostala tzv. mikroRNA (dále miRNA). miRNA jsou velmi krátké molekuly nekódující, jednovlákenné RNA o délce od 21 do 23 nukleotidů, které nalezneme v cytoplazmě většiny eukaryotických buněk. Jde o tzv. posttranskripční regulátory genové exprese. Jejich funkce se liší u rostlin a živočichů, v obou případech se ale krátké řetězce miRNA navážou na částečně či dokonale komplementární řetězce mediátorové RNA (mRNA), které jsou na ribozómech překládány do bílkovin (= translace). U živočichů způsobí navázání miRNA na mRNA právě utlumení translačního procesu. miRNA rovněž může stát za posttranslačními modifikacemi histonů (bílkovin tvořících chromatin, výplň buněčného jádra, z níž se spiralizují chromozomy) a způsobuje DNA metylaci promotorů – míst, kde začíná transkripce nějakého genu. Tím vlastně potlačuje expresi daného genu ještě před tím, než vůbec dostane šanci být přepsán do mRNA.
Pro fylogenetiku mají miRNA zvláštní význam proto, jak pomalu se v nich hromadí mutace. (Viz např. Wheeler et al. 2009. Není bez zajímavosti, že tři autoři této studie – Heimberg, Sperling a Peterson – se podílejí i na nové želví práci.). Nová miRNA vznikají náhodně v intronových nebo mezigenových regionech, případně duplikací již existujících miRNA-kódujících genů. Jakmile se však jednou začlení do složité sítě regulující genovou expresi, mutace se v nich objevují jen velmi, velmi vzácně (často s pomalejším tempem než jedna substituce za sto milionů let) a stejně vzácné jsou i druhotné ztráty. To činí z miRNA vynikající materiál pro fylogenetický výzkum, a pokud měli Wheeler et al. (2009) pravdu, může být jejich význam pro evoluci ještě hlubší, neboť právě vznik a inovace těchto molekul mohou stát za rychlými "explozemi" morfologických novinek.
miRNA má tedy vynikající předpoklady k tomu, aby rozřešila dlouhotrvající fylogenetický oříšek, jakým je pozice želv. Lyson et al. (2011) otestovali anolise rudokrkého (Anolis carolinensis), želvu pestrou (Chrysemys picta bellii) a aligátora amerického (Alligator mississippiensis) na přítomnost či absenci specifických molekul miRNA a zjistili, že analýza jednoznačně podporuje klad (želvy + lepidosauři). Obě skupiny sdílejí čtyři rodiny miRNA-kódujících genů, zatímco želvy s krokodýly nedisponují žádnou společnou genovou rodinou, kterou by lepidosauři postrádali, a ani všichni tradiční diapsidi nesdílejí žádný typ miRNA, který by chyběl želvám. V kombinaci s výše zmíněným poznatkem, podle nějž jsou druhotné ztráty miRNA extrémně vzácné, se zdá být lepidosauromorfní hypotéza velmi pravděpodobná. Autoři nezapomněli připomenout, že jejich výsledky jsou ve shodě s některými morfologickými analýzami (čímž jsou jistě myšleny ty od deBragy a Rieppela) a že vyžadují četné konvergence a druhotné ztráty morfologických znaků, včetně uzavření dvou lebečních oken.
Co je ale jedna nová molekulární studie oproti mnoha předchozím, které prozkoušely mitochondriální genomy i několik desítek jaderných genů? Jak uvedl jeden ze spoluautorů studie Kevin Peterson pro server ECN, docela hodně. Autoři se zde nedívali na relativně krátké výseky jaderného genomu, ale na všechny molekuly miRNA, které buňky zkoumaných taxonů obsahovaly – a těch je několik tisícovek. Přesto Peterson neoznačuje výsledky nové analýzy za definitivní: bylo by minimálně zajímavé získat miRNA od většího množství taxonů. Opatrný optimizmus se ale přesto zdá být docela na místě.
Nová podoba kladogramu žijících sauropsidů (= "plazů")? Pozice želv je založena na závěrech Lysona et al. (2011). Vnitřní struktura šupinatých je založena na nedávné bayesiánské analýze provedené nad datovou matricí, která kombinovala data z morfologie a 22 lokusů jaderného genomu (Wiens et al. 2010). Vnitřní topologie archosaurů je v této podobě poměrně široce uznávaná. [Editace z 13.8.2011: Anebo taky ne. Je paradoxní, že jsem v článku věnovanému užitečnosti a nadřazenosti molekulárních dat prezentoval stromek, v němž je zahrnuta morfologická hypotéza molekulami systematicky popíraná. Podle nich gaviálovití nejenže netvoří sesterskou skupinu všech ostatních žijících krokodýlů, ale jsou usazeni uvnitř krokodyloidů a krokodýlovitých – jak ukázaly analýzy jaderných genů (Harshman et al. 2003) i mitochondriálních genomů (McAliley et al. 2006)] Vytvořeno s nástrojem PhyloPainter (© 2010 Mike Keesey | namesonnodes.org/phylopainter)
4. Důsledky pro spor "morfologie verzus molekuly"
Přestože přední paleontolog Mike Benton v komentáři pro Nature News napsal, že v případě želv je to "the first time we have anatomy and molecules seeming to agree", můj dojem je úplně jiný: spor o pozici želv už nadále není sporem mezi molekulami a morfologií. Lze to velmi jednoduše ukázat:
- Želvy jsou bazální, non-diapsidní sauropsidi.
- Morfologie: robustní podpora z řady analýz, shlukujících želvy s různými skupinami prvohorních anapsidů (viz výše).
- Molekulára: jedna studie, v níž šlo o vnitřní topologii obojživelníků a kde amnioti figurovali jen jako outgroup (Frost et al. 2006).
- Želvy jsou archosauromorfové.
- Morfologie: jedna studie, která našla čtyři synapomorfie sdílené želvami a zbytkem archosauromorfů, avšak nijak zvlášť pevný stromek (Bhullar & Bever 2009)
- Molekulára: extrémně silná podpora, včetně analýz kompletních mitochondriálních genomů (např. Rest et al. 2003) nebo většího množství jaderných genů (např. Iwabe et al. 2005).
- Želvy jsou lepidosauromorfové.
- Morfologie: přiměřená podpora v několika studiích, jejichž datové matrice ale byly kritizovány zastánci alternativních hypotéz (viz výše).
- Molekulára: jedna studie, přinášející však poměrně robustní podporu z dosud nevyzkoušeného zdroje dat (Lyson et al. 2011).
5. Důsledky pro názvosloví
Fylogenetická nomenklatura se musela už v rané fázi své existence porvat s problémem jména Reptilia, vědeckého názvu pro "plazy". Ve svém úplně nejklasičtějším významu jsou "plazi" "třídou" na úrovni savců či ptáků, která zahrnuje krokodýly (Crocodylia), hady (Serpentes), "ještěry" ("Lacertilia"), hatérie (Sphenodon) a želvy (Testudines). "Ještěry" i jejich formální ekvivalent dávám do uvozovek, protože je už dlouho zřejmé, že jde o umělou, parafyletickou skupinu. Jak je patrné z kladogramu výše, někteří jejich tradiční zástupci (leguáni, varani) mají blíž k hadům, kteří mezi "ještěry" nepatří, než k jiným "ještěrům", jako jsou např. gekoni. Jenže stejně jako jsou parafyletičtí "ještěři", jsou umělou skupinou i samotní "plazi". Poslední společný předek krokodýlů, hadů a želv byl totiž bez nejmenších pochyb také předkem ptáků. Navíc jsou ptáci vhnízdění v rámci "plazů" pěkně hluboko: nejenže nelze mít vrabce mezi ptáky a tyrannosaura už mezi "plazy", ale dokonce i tak plazovití plazi, jakými jsou krokodýli, mají daleko blíž k ptákům než např. k ještěrkám.
Existuje několik pokusů o to, jak se s tímto faktem v názvosloví vyrovnat. Někteří autoři upřednostňují úplné opuštění pojmu Reptilia a možná i jeho neformálního ekvivalentu a raději by jej nahradili jménem Sauropsida. Ten lze vystopovat už k Huxleymu a má tu výhodu, že už od začátku byl navrhován jako označení pro přirozenou skupinu, zahrnující ptáky a "plazy" s vyloučením savců. O to se pokouším i já tady na blogu. Pokud sauropsidy přijmeme, stane se celý systém amniot velmi elegantním: máme tady synapsidy, tedy savce a všechny vymřelé taxony, kteří mají k savcům blíž než k ptákům, a sauropsidy, čili ptáky a "plazy" plus vše, co k nim má blíž než k savcům. Jde o dvě ideálně komplementární skupiny: kterýkoli zástupce Amniota, který nespadá do jedné, musí nutně patřit do druhé. Skvrnka na kráse tohoto řešení je jen jedna, za to dost podstatná. Když se řekne "sauropsid", nikdo nebude vědět, o čem je řeč. Když se řekne "plaz", je to hned jasné a navíc informativnější (jelikož víme, že jde o sauropsida zachovávajícího hned několik primitivních znaků, jako je studenokrevnost nebo šupinatý pokryv těla).
Někteří se proto pokusili přenést obsah sauropsidů pod tradiční jméno Reptilia. Tím by sice explicitně porušili úmysl původního autora (Linného) a znásilnili by nomenklatorickou tradici táhnoucí se přes dvě století, podle níž ptáci do "plazů" prostě nepatří, na druhou stranu by ale klad dostal známější jméno a nemuseli bychom se plazů (nyní monofyletických, proto bez uvozovek) vzdávat. Přesně takto definovali jméno Reptilia Modesto & Anderson (2004): nejširší klad zahrnující ještěrku obecnou (Lacerta agilis) a krokodýla nilského (Crocodylus niloticus), který ale nezahrnuje člověka rozumného (Homo sapiens). Nyní by tedy platilo, že Amniota = Reptilia + Synapsida. Jedním z hlavních argumentů Modesta a Andersona byla námitka (zmíněná v poznámce uvedené výše), že v případě želví pozice uvnitř saurů by se Reptilia sensu Gauthier stala synonymem jména Sauria.
Třetí řešení, pokud vím, nebylo nikde formálně navrženo, je však docela často používané. V něm by jména Sauropsida a Reptilia koexistovala jako označení pro dva různé klady. Reptilia sensu Gauthier et al. (1988) odkazuje na posledního společného předka želv a saurů plus všechny jeho potomky, čili na tzv. korunní klad: nejmenší monofyletickou skupinu, tvořenou všemi žijícími zástupci nějakého taxonu. Sauropsida sensu Gauthier (1994) naopak odpovídá tzv. "total kladu", což je korunní klad plus všechno vymřelé, co k němu má blíž než k jinému korunnímu kladu. Pokud tedy paraplazi nezahrnují želvy, stávají se spolu s kaptorinidy, younginiformy atd. neplazími sauropsidy. Osobně se mi takové řešení docela líbí, přestože se nevyhneme sporům o to, zda se pro klad (Archosauromorpha + Lepidosauromorpha) opravdu jméno Reptilia hodí víc než Sauria nebo Diapsida. Sám bych doporučil jméno Sauria opustit a Diapsida použít v apomorphy-based smyslu, tedy pro všechny sauropsidy, kteří mají dva spánkové otvory. (Krom Reptilia by takto pojatí diapsidi zahrnovali i fosilní younginiformy, areoskelidy [Araeoscelidia], talattosaury, ...)
Čtvrté řešení je výrazem zoufalství: omezit Reptilia na lepidosaury a nazývat plazy pouze hatérie a šupinaté. Z pěti skupin, které jsem zmínil na začátku kapitoly jako tradiční plazy, by nový význam zahrnoval tři. Želvy ani krokodýli by už mezi plazy nepatřily. Můžeme se ptát, zda náhodou nejde o ještě horší porušení tradice, než Reptilia sensu Modesto & Anderson, které aspoň zahrnuje všechno, co zahrnovat má. Toto řešení má ovšem svého mocného zastánce: Centrum severoamerické herpetologie (CNAH). Jeho tiskové materiály tak dnes úplně běžně mluví o "plazech a želvách".
Právě zde přitom přichází vhod nová studie Lysona a kolektivu. Pokud by želvy patřily mezi lepidosauromorfy, mohli bychom pojem Reptilia omezit právě na tento klad (nebo nějakou jeho podskupinu; nikdo konec konců neříká, že želvy jsou ti nejbazálnější lepidosauromorfové, které známe). Pak bychom měli s tradičním užíváním shodu ve 4 z 5 skupin, což už není tak špatné. Z žijících taxonů by se plazi museli rozloučit pouze s krokodýly. U těch fosilních by změny byly drastičtější: na to, že "plazi" nejsou dobrým označením snad pro nic z ptačí linie archosaurů (pan-Aves) už jsme si zvykli, ale teď by nebylo možné nazývat takto ani krokodýlí linii archosaurů (Crurotarsi) či bazální archosauromorfy typu prolacertiformů či euparkerie, o taxonech stojících mimo saury ani nemluvě. Přesto je dobré vědět, že tato možnost zůstává otevřená.
Zdroje:
- http://theropoddatabase.blogspot.com/2011/06/rieppels-reptile-matrix-and-turtle.html
- http://www.ecnmag.com/...cutting-edge-discovery-places-turtles-next-to-lizards-on-family
- http://www.nature.com/news/2011/110719/full/news.2011.425.html
- http://www.cnah.org/taxonomy.asp
- Bhullar B-AS, Bever GS 2009 An archosaur-like laterosphenoid in early turtles (Reptilia: Pantestudines). Breviora 518: 1–11
- deBraga M, Rieppel O 1997 Reptile phylogeny and the interrelationships of turtles. Zool J Linn Soc 120: 281–354
- Frost DR, Grant T, Faivovich J, Bain RH, Haas A, Haddad CFB, de Sá RO, Channing A, Wilkinson M, Donnellan SC, Raxworthy CJ, Campbell JA, Blotto BL, Moler P, Drewes RC, Nussbaum RA, Lynch JD, Green DM, Wheeler WC 2006 The amphibian tree of life. Bull Am Mus Nat Hist 297: 1– 370
- Gauthier JA 1994 The diversification of the amniotes. 129–59 in Prothero DR, Schoch RM, eds. Major features of vertebrate evolution. Knoxville: Paleontological Society
- Gauthier JA, Kluge AG, Rowe T 1988 The early evolution of the Amniota. 103–55 in Benton MJ, ed. The phylogeny and classification of the tetrapods, Volume 1: amphibians, reptiles, birds. Oxford: Clarendon Press
- Harshman J, Huddleston CJ, Bollback JP, Parsons TJ, Braun MJ 2003 True and false gharials: a nuclear gene phylogeny of Crocodylia. Syst Biol 52(3): 386–402
- Hedges SB, Poling LL 1999 A molecular phylogeny of reptiles. Science 283: 998–1001
- Iwabe N, Hara Y, Kumazawa Y, Shibamoto K, Saito Y, Miyata T, Katoh K 2005 Sister group relationship of turtles to the bird-crocodilian clade revealed by nuclear DNA-coded proteins. Mol Biol Evol 22(4): 810–3
- Laurin M, Reisz RR 1995 A reevaluation of early amniote phylogeny. Zool J Linn Soc 113: 165–223
- Lee MSY 1993 The origin of the turtle body plan: bridging a famous morphological gap. Science 261(5129): 1716–20
- Lee MSY 1994 The turtle’s long lost relatives. Nat Hist 6: 63–5
- Lee MSY 1995 Historical burden in systematics and the interrelationships of ‘parareptiles’. Biol Rev 70: 459–547
- Lee MSY 1996 Correlated progression and the origin of turtles. Nature 379(6568): 811–15
- Lee MSY 1997a Pareiasaur phylogeny and the origin of turtles. Zool J Linn Soc 120: 197–280
- Lee MSY 1997b Reptile relationships turn turtle. Nature 389(6648): 245–6
- Li C, Wu X-C, Rieppel O, Wang L-T, Zhao J 2008 Ancestral turtle from the late Triassic of southwestern China. Nature 456(7533): 497–501
- Lyson TR, Bever GS, Bhullar BA, Joyce WG, Gauthier JA 2010 Transitional fossils and the origin of turtles. Biol Lett 6(6): 830–3
- Lyson TR, Sperling EA, Heimberg AM, Gauthier JA, King BL, Peterson KJ 2011 MicroRNAs support a turtle + lizard clade. Biol Lett doi:10.1098/rsbl.2011.0477
- Mannen H, Li SS-L 1999 Molecular evidence for a clade of turtles. Mol Phylogenet Evol 13: 144–8
- McAliley LR, Willis RE, Ray DA, White PS, Brochu CA, Densmore III LD 2006 Are crocodiles really monophyletic?—evidence for subdivisions from sequence and morphological data. Mol Phylogenet Evol 39: 16–32
- Merck JW 1997 A phylogenetic analysis of the euryapsid reptiles. Unpublished PhD dissertation, University of Texas, Austin. 785 p
- Modesto SP, Anderson JS 2004 The phylogenetic definition of Reptilia. Syst Biol 53(5): 815–21
- Müller J 2004 The relationships among diapsid reptiles and the influence of taxon selection. 379–408 in Arratia G, Wilson MVH, Cloutier R, eds. Recent advances in the origin and early radiation of vertebrates. München: Dr Friedrich Pfeil
- Reisz RR, Laurin M 1991 Owenetta and the origin of turtles. Nature 349(6307): 324–6
- Rest JS, Ast JC, Austin CC, Waddell PJ, Tibbetts EA, Hay JM, Mindell DP 2003 Molecular systematics of primary reptilian lineages and the tuatara mitochondrial genome. Mol Phylogenet Evol 29(2): 289–97
- Rieppel O, deBraga M 1996 Turtles as diapsid reptiles. Nature 384(6608): 453–5
- Wheeler BM, Heimberg AM, Moy VN, Sperling EA, Holstein TW, Heber S, Peterson KJ 2009 The deep evolution of metazoan microRNAs. Evol Dev 11(1): 50–68
- Wiens JJ, Kuczynski CA, Townsend T, Reeder TW, Mulcahy DG, Sites JW Jr 2010 Combining phylogenomics and fossils in higher level squamate reptile phylogeny: molecular data change the placement of fossil taxa. Syst Biol 59(6): 674–88
