1. Co jsou retropozony a k čemu jsou dobré

    O retropozonech jsem na blogu už dvakrát psal v souvislosti s fylogenetikou žijících ptáků. Jde o podtřídu elementů známých jako "skákající geny" (formálně transpozibilní elementy) a i přes minuciózní rozlišování mezi retropozony a retrotranspozony, které někteří autoři obhajují, sem lze zahrnout všechny DNA sekvence, které vznikly reverzní transkripcí mRNA (Zhang et al. 2005). Paradoxní je, že retropozony nikam neskáčou: mohou genom pouze zaplavovat svými kopiemi, nemají ale transpozázu, která by jim umožnila vyříznout se z aktuální pozice a vklouznout jinam. Některé z elementů řazených do této kategorie si umí reverzní transkriptázu kódovat samy: sem spadají třeba LINEs, dlouhé vmezeřené elementy, které zahrnují i tzv. podrodinu CR1 (Chicken Repeats 1), jedny z vůbec nejčastějších ptačích retropozonů. Totéž platí i pro pozůstatky endogenních retrovirů, které ztratily svou infekční schopnost: takovými retropozony jsou LTRs, dlouhé koncové repetice (Ray 2007). Některé elementy z této kategorie ovšem neumějí kódovat ani funkční reverzní transkriptázu a při svém šíření se tak musí spoléhat na jiné skákající geny: to je případ SINEs, krátkých vmezeřených elementů, které se ukázaly být užitečným nástrojem při zkoumání fylogenetických vztahů mezi savci, avšak u ptáků se prakticky nevyskytují.

    Jednou z nejzajímavějších věcí na retropozonech je skutečnost, že vložení každého elementu do genomu provází duplikace cílového místa, přičemž takto vzniklé duplikáty integrovaný retropozon z obou stran olemují (tzv. flanking sequences). Jde o sekvence o délce až stovek nukleotidů a právě díky nim (resp. jejich vysoce konzervovaným regionům) můžeme retropozony identifikovat, a to i velmi, velmi dlouho po samotné inzerci. Waddell et al. (2001) odhadují, že uplyne 250 milionů let, než doklady po inzerci savčího SINE zcela smažou náhodné mutace, a i konzervativnější odhady retropozonům dávají hodně přes 100 milionů let. S takovými časovými intervaly lze nejstarší retropozony bez nadsázky označit za molekulární fosilie, které se z genomu odkrývají právě tak, jako kosti z horniny. Inzerce retropozonů však nejsou něčím, co by se dělo jen daleko v minulosti – dochází k nim jistým tempem neustále. Najdeme-li inzerci tak mladou, že alela, která ji nese, se ještě nestačila zafixovat v populaci (jinak řečeno, v genofondu vedle sebe prozatím koexistuje alela s retropozonem a alela bez retropozonu), může nám toho říct mnoho zajímavého o genetického toku, populační substruktuře, genetické diverzitě nebo míře inbreedingu (Ray 2007). Staré inzerce naopak mohou představovat téměř ideální evidenci o příbuzenských vztazích mezi taxony, a můžeme tak očekávat, že retropozony budou hrát význačnou úlohu v tom, co Joe Felsenstein nazývá "Grand Reunion" – syntézu fylogenetiky a populační genetiky.

Retropozony mohou být užitečné nejen při studiu fylogenetických vztahů mezi vzdálenými taxony, ale i ke sledování populačních změn a diferenciace. Obrázek zachycuje čtyři dceřiné populace vzešlé z jediné populace mateřské, z nichž každá vykazuje vlastní jedinečnou frekvencí výskytu retropozonů na dvou lokusech. Populace zcela vlevo navíc získala zcela novou retropozonovou inzerci na třetím lokusu, která je pro ni unikátní. Takové polymorfické lokusy umožňují identifikovat hybridy nebo stanovit míru genetického toku mezi populacemi. (Zdroj: Ray 2007: Figure 3)

2. Retropozony ve fylogenetice

    K fylogenetické analýze retropozonů stačí většinou obyčejná parsimonie. Evoluce retropozonů je totiž oproti evoluci nukleotidů docela nudná, takže nepotřebujeme všechny ty složité modely s gama-distribuovanou variací v tempu evoluce, proporcemi invariantních pozic atd. Přesto se už objevily návrhy, jak ji modelovat a vyrovnat se s některými z jejich zvláštností: retropozony by se např. mohly do některých lokusů integrovat častěji než do jiných (Han et al. 2011), náhodné mutace by je mohly u různých taxonů zahlazovat různými rychlostmi (Waddell et al. 2001), a inzerce pocházející z multiplikace stejného retropozonu nemají nezávislý výskyt (Miyamoto 1999). Přesto parsimonie i přes své četné chyby (viz zde, zde) stačí, neboť retropozony nejsou jen tak obyčejné znaky. Steel & Penny (2000) ukázali, že mohou-li znaky nabývat dostatečně mnoha stavů, bude parsimonie statisticky konzistentní (= s více daty se bude blížit správnému stromu) pro všechny možné kombinace parametrů – vyhne se tedy i nechvalně proslulému přitahování dlouhých větví ve Felsensteinově zóně. Otázkou je, kolik je "dostatečně mnoho": 4 stavy, které používá většina sekvenčních analýz, rozhodně nestačí, jelikož přitahování dlouhých větví v nich pozorujeme docela běžné. Ale při integraci do ptačího genomu mohou retropozony vklouznout do téměř kterékoli z 1,2 miliard možných pozic, z nichž každá představuje samostatný znakový stav (Matzke et al. 2012). Výjimečnosti retropozonů si v tomto ohledu povšimli jak Steel & Penny (2000), tak Sober (2004) – druhá práce dokonce předem varuje, že při diskuzi o kladech a záporech parsimonie a věrohodnosti bude retropozonové inzerce ignorovat, jelikož obvyklé poučky zde ztrácejí význam. Díky tomu je oprávněné říct, že parsimonie nad retropozonovými daty má stejné vlastnosti jako spolehlivější věrohodnost (Suh et al. 2011a; Matzke et al. 2012).

    Rozbory retropozonových inzercí představují alternativní přístup, jak z DNA dostat fylogeneticky cenné informace. Běžné analýzy, které kódují každý jednotlivý nukleotid samostatně, mají mnohé výhody – téměř neomezený počet znaků s jasně definovanými stavy –, ale také mnoho problémů. Fylogenetický signál může zcela smazat saturace (jev, který nastává, pokud nukleotidová pozice prodělala vícero mutací, než dospěla k nyní pozorovanému stavu), zvláště u rychle se vyvíjejících třetích pozic kodonů; homoplazie v kombinaci s odlišnými rychlostmi evoluce vede k přitahování dlouhých větví, které může svést na scestí každou fylogenetickou metodu (byť některé jsou schopny tuto chybu s více daty napravit); a rizikem je i base composition bias, tedy shlukování taxonů s podobným poměrným zastoupením jednotlivých bází v genomu bez ohledu na reálné příbuzenství.
    Ani jedním z těchto problémů retropozony netrpí. Možnost klasické homoplazie je zde totiž velice omezená: znamenala by buď přesné vyříznutí, nebo nezávislou inzerci stejného typu se stejným zkrácením* a stejnou orientací na totéž místo v genomu. Může se to stát? Ano, může: ukázalo se, že genom má k dispozici mechanizmus pro přesné vystřižení (van de Lagemaat et al. 2005) a že i k paralelní inzerci občas dojde (u ptáků se to zřejmě stalo u sluk a datlů – Han et al. 2011), a nakonec snad přece jen existují tzv. "hot spots", místa, kam se retropozony integrují častěji než jinam (Han et al. 2011). Všechny studie, které se těmito problémy zabývaly, ale došly k závěru, že tyto jevy jsou stále velmi vzácné a nedochází k nim dost často na to, aby představovaly závažný problém (van de Lagemaat et al. 2005; Ray et al. 2006; Ray 2007) – dokonce i Han et al. (2011), kteří toho kolem celé otázky nadělali nejvíc, nakonec uznali, že "TE insertions retain a strong phylogenetic signal and [...] exhibit very little homoplasy" (p. 283), a to navíc jejich metody Matzke et al. (2012) označili za zavádějící a vůči retropozonům neférově tvrdé. Problémy typu přitahování dlouhých větví tedy zcela odpadají. Nemáme navíc důvod předpokládat, že nezávislé inzerce nebo přesné delece dvakrát způsobí přesně ten samý nepravdivý vzorec výskytu. Zdálo by se tedy, že cokoli víc než jedna inzerce se rovná železné jistotě. Waddell et al. (2001) problém uchopili jinak, z hlediska striktně statistického, a zformulovali kritérium ještě tvrdší: k zamítnutí nulové hypotézy jsou třeba aspoň 3 inzerce bez jakéhokoli konfliktního signálu.
    Jediným z velkých problémů sekvenčních dat, kterého se nezbavíme ani u retropozonů, je hemiplazie. Ačkoli stejně jako běžná homoplazie vytváří konfliktní vzorce výskytu znaků, její mechanizmus je odlišný. Je důsledkem jevu známého jako nekompletní třídění linií, který nastává, pokud se ancestrální populace začala štěpit ještě předtím, než se v ní ustálil původní polymorfizmus. Evoluční linie vzešlé z tohoto štěpení zdědí všechny alely obsažené v genofondu původní populace, které se poté zafixují zcela náhodně. O nekompletním třídění linií mluvíme tehdy, když strom sestavený z alel na polymorfickém lokusu (gene tree) nesouhlasí s průběhem fylogeneze (species tree). Často se objevuje při velkých evolučních radiacích, k jaké došlo např. u báze placentálních savců. Právě zde se retropozonové stromy sekly, když Nishihara et al. (2006) odhalili silnou podporu pro klad zahrnující letouny, lichokopytníky, šelmy a luskouny, geniálně pojmenovaný jako Pegasoferae**. Ač podpořen 4 inzercemi, největší sekvenční studie jeho existenci zamítají (Zhou et al. 2011; Meredith et al. 2011). Zároveň jde však o pěknou ukázku toho, že pokud se nám pod rukama plete nekompletní třídění linií, většinou to poznáme: není to totiž tak, že by se všechny genové stromy spikly a společně odporovaly "species tree"; odporují i sobě navzájem. Už Nishihara a spol. si všimli jedné inzerce, jejíž výskyt se s Pegasoferae neslučuje, zato však odpovídá výsledkům sekvenčních analýz. Navíc i samotný výskyt hemiplazie může říct leccos zajímavého o evoluční historii skupiny (Matzke et al. 2012).

*Zkrácení (truncation) poukazuje na skutečnost, že většina inzercí zahrnuje pouze část originální RNA šablony. Důvodem je neúplná reverzní transkripce, která často "vynechává" hlavně u 5' konce původní sekvence (Volff et al. 2001; Han et al. 2011).

**Smím-li citovat z komentáře Mike'a Keeseyho na DML:

What do you call a clade that includes bats, horses, and Ferae (i.e., Carnivora plus whatever it's closest to, in this case pangolins)? Combine the bats and horses into winged horses, and then combine again! I think that's pretty clever.

Retropozonová homoplazie u ptáků podle Hana a spol. (2011). Vpravo jsou zobrazeny fylogenetické stromky vytvořené analýzou nejvyšší věrohodnosti (s bootstrapovými podporami nad 50%), vlevo zarovnané sekvence 4. intronu HMGN2 (a) a 2. intronu GH1 (b). V prvním případě byla zřejmě inzerce retropozonu z rodiny CR1 druhotně ztracena u lenivek (Bucco) a leskovců (Galbula), v tom druhém u "roadrunnera" Geococcyx. U kukalek (Coua) pak došlo k deleci velké části příslušného intronu; retropozon tím byl sice ztracen, nejedná se však o přesné vyříznutí, které jako jediné představuje při rekonstrukci fylogeneze problém. Chyba v topologii je prakticky vyloučena; na monofylii šplhavců (a) a kukaček (b) se shodují data z mtDNA, jaderného genomu, morfologie a dokonce i jiných retropozonů. Konfliktní vzorce výskytu je stále možno vysvětlit hemiplazií, ta se však většinou odehrává na krátkých větvích, zatímco větve vedoucí ke šplhavcům i kukačkám jsou docela dlouhé. (Zdroj: Han et al. 2011: Figure 3)

    Vzhledem k těmto vlastnostem jsou retropozony ideálním nástrojem k nezávislému ověření výsledků sekvenčních analýz. Důležité je zde slovo "nezávislému": není třeba se bát, že sekvenční a retropozonové rozbory využívají dvakrát ta samá data. Ačkoli sekvenční analýza např. jaderných intronů na nějaký ten retropozon pravděpodobně narazí, pořád s ním bude zacházet jen jako s posloupností nezávisle se vyvíjejících nukleotidů. To není špatně: jakmile se retropozon jednou začlení do DNA, skutečně prodělává ty samé náhodné mutace jako každá jiná nekódující DNA; samotná inzerce však představuje proces zcela odlišný. Retropozonová analýza se stará právě jen o tento druhý proces: dokud lze rozpoznat, o jaký typ elementu jde, nejsou bodové mutace v jeho sekvenci důležité. Retropozon zde není kódován jako několik stovek znaků o 4 stavech s nejasnou polaritou, ale jako znak jediný, který se navíc polarizuje zcela sám, bez potřeby nějaké outgroup, takže odvozený stav (přítomnost inzerce) lze od primitivního stavu (absence inzerce) odlišit automaticky.
    Vzhledem k tomu, jak problematické jsou vzájemné příbuzenské vztahy žijících ptáků, není divu, že své naděje do retropozonů začínají vkládat i ornitologové (Livezey 2011; Mayr 2011). První analýzy tohoto typu zde však nastoupily až s určitým zpožděním oproti savcům, a přestože průkopnické studie jsou staré už přes pět let (Watanabe et al. 2006; Kriegs et al. 2007), více se v tomto směru začalo podnikat až zcela nedávno (Suh et al. 2011a; Matzke et al. 2012; Liu et al. 2012). Jednoznačně nejvýznamnější ze všech dosud provedených retropozonových analýz ptáků pak loni publikovali Suh et al. (2011b), jejichž strom přinesl podporu pro nečekaně mnoho skupin již dříve vzešlých z analýz velkého množství sekvenčních dat. Šlo např. o klady Psittacopasserae (složený z papoušků a pěvců) a Eufalconimorphae (papoušci, pěvci, sokoli).
    Zároveň šlo však o ukázku problému, který nedávno zmínil John Harshman v komentáři na Tetrapod Zoology. Retropozonové studie musí být zaměřeny na nějakou konkrétní skupinu či aspoň posloupnost uzlů na kladogramu. Chceme-li znát fylogenetickou pozici pěvců, je nutné zkoumat inzerce sdílené s pěvci. A zatímco analýza takových inzercí dokáže určit relativní fylogenetickou vzdálenost různých skupin od pěvců (papoušci k nim mají nejblíž, sokolovití dál, seriemy ještě dál atd.), vzájemné příbuzenské vztahy čehokoli, co leží mimo tuto páteřní linii – třeba ptáků, kteří tvoří společně samostatný klad a pěvcům jsou tedy vzdálení všichni úplně stejně –, ověřit nemůže. Proto ty rozsáhlé polytomie ve výsledném kladogramu, ve kterých se zcela rozpustila i některá dobře známá a nijak kontroverzní seskupení, jako např. Picocoraciae (šplhavci + "srostloprstí") nebo Strisores (svišťouni + "lelkové"). Není divu: k tomu by byla třeba celá nová sada informativních inzercí, a k tomu je dobré mít osekvenovaný kompletní genom. Ten je zatím k dispozici jen pro kuře (Gallus gallus) a zebřičku pestrou (Taeniopygia guttata) – jenže co když chceme znát příbuzenské vztahy nějakých jiných ptáků?

3. Suh et al. 2012

    Právě na tuto otázku se snaží odpovědět nová studie Alexandera Suha a kolektivu, která byla měsíc zpátky přijata pro publikaci v žurnálu Molecular Biology and Evolution. Autoři připomínají, že ačkoli některé studie zkoumaly retropozony i u ptáků, pro něž ještě není kompletní genom k dispozici (např. Watanabe et al. [2006] u tučňáků), vždy se jednalo jen o několik inzercí, které by rozhodně nestačily k provedení tak rozsáhlé studie, jakou publikovali Suh et al. (2011b). K tomu je potřeba buď získat nové úplné genomy, nebo vynalézt metodu, která dovede retropozony z genomu cíleně vytáhnout. Autoři takovou metodu představili a ihned ji také vyzkoušeli k otestování sesterského vztahu potápek a plameňáků, jedné z nejpozoruhodnějších fylogenetických hypotéz, které se v poslední době u ptáků vyskytly.

Potápka malá, hlavní hvězda nové studie. (Zdroj: birdforum.net, kredit: Nigel Pye)

3.1 Extrakce retropozonů a fylogenetická analýza

    Suh et al. (2012) upravili protokol, který Wang & Kirkness (2005) vytvořili pro populačně-genetickou studii psů založenou na krátkých vmezeřených elementech (SINEs). Jaderná DNA se naštěpí pomocí restrikčního enzymu a podrobí se inverzní polymerázové řetězové reakci (PCR), která jako primery – tedy počáteční místa pro syntézu DNA – používá sekvence typické pro retropozony z rodiny CR1. Elementy z této skupiny tvoří velkou část retropozonů přítomných v ptačím genomu: spolu s dlouhými koncovými repeticemi (LTRs) přes 97% (Suh et al. 2011b). Inverzní PCR umožňuje amplifikaci (tj. zmnožení) i takových úseků DNA, jejichž přesnou sekvenci neznáme, za podmínky, že jsou z obou stran ohraničeny známými sekvencemi (které jsou doplňkové k primerům). Naštěpené fragmenty se při ní nejprve pomocí speciálního enzymu převedou do kruhové formy, která v sobě obsahuje jak známou sekvenci, tak i neznámý úsek, o jehož amplifikaci usilujeme. Následně je aplikován další restrikční enzym, který kruhovou molekulu rozstřihne a znovu ji tak převede do lineární podoby – a protože stříhá uvnitř známé sekvence, nová lineární forma bude obsahovat neznámý fragment ohraničený z obou stran známými sekvencemi, tedy přesně to, čeho jsme se snažili dosáhnout. Na tuto novou lineární molekulu už je pak možné aplikovat běžnou polymerázovou řetězovou reakci. Tímto postupem Suh et al. (2012) vytvořili genomovou knihovnu: soubor mnoha klonovatelných fragmentů DNA (v tomto případě obsahujících CR1 retropozony). Po naklonování a osekvenování už nic nic nebrání tomu, aby se nalezené inzerce využily ve fylogenetické analýze.
    Ukázková studie byla provedena na potápce malé (Tachybaptus ruficollis). Z genomové knihovny sestavené podle výše uvedené procedury Suh et al. (2012) náhodně vybrali 180 klonů fragmentů obsahujících CR1 retropozony a pomocí programu pro zarovnávání (alignment) DNA sekvencí hledali shodu v genomech kuřete a zebřičky. Pokud najde dostatečně vysoký stupeň shody, rozšíří se hledání v obou směrech o další 2 kilobáze. Následuje osekvenování a zarovnání. Pak už nic nebrání tomu, aby byla aplikována přísná kritéria pro identifikaci kandidátních lokusů, která do detailu popsali už Suh et al. (2011b): vhodné jsou jen retropozony z vysoce konzervovaných intronů nebo mezigenových oblastí kratších než 1,5 kilobáze. Těmito požadavky prošlo jen 38 lokusů z původních 180, z nichž dva navíc obsahovaly pouze inzerci sdílenou mezi potápkou a zebřičkou. Jelikož linie vedoucí k zebřičce se už detailní analýzy dočkala (Suh et al. 2011b), autoři tyto dva lokusy vyřadili z další analýzy. Zarovnané sekvence potápky, kuřete a zebřičky se prohledají na zakonzervované oblasti, tedy místa, kde všechny tři genomy vykazují stejnou nebo aspoň velmi podobnou sekvenci. K této sekvenci se vytvoří komplementární primer pro polymerázovou řetězovou reakci. Potřeba je však ještě druhý primer, který ale nemůže být vytvořen na základě stejného postupu: klon fragmentu z genomu potápky obsahuje jen jednu z obou "flanking sequences". Druhý primer je tedy vytvořen čistě na základě předpokladu, že co je stejné u kuřete a zebřičky, bude stejné i u potápek. To je předpoklad docela rozumný (potápky patří do Neognathae, což znamená, že jsou potomky posledního společného předka kuřete a zebřičky), ale občas se samozřejmě sekne: v takových případech navrhují Suh a spol. vytvořit několik alternativních primerů, aby se zvýšila šance dosáhnout s PCR úspěšných výsledků. V tomto konkrétním případě se povedlo najít 15 markerů, které bylo možné osekvenovat napříč taxonomickým vzorkem.
    Z nich Suh et al. (2012) sestavili datovou matrici, v níž je přítomnost retropozonu kódována jako "+" a absence jako "–". Jako OTUs byly použity tři taxony potápek a dvě jejich potenciální sesterské zástupci skupiny. Tou první jsou plameňáci, které v sesterské pozici vůči potápkám odhalují téměř všechna známá data krom některých morfologických znaků (viz níže). Ty jako sesterskou skupinu potápek identifikují morfologicky i ekologicky, pravda, daleko podobnější potáplice (Livezey & Zusi 2007). Daleko zajímavějším fylogenetickým problémem je nicméně hledání sesterské skupiny k celému kladu Mirandornithes, jak skupinu sestávající z potápek a plameňáků pojmenoval Sangster (2005). Brown et al. (2008) a Morgan-Richards et al. (2008) na této pozici odkryli dlouhokřídlé. Obě studie byly založeny na datech z mitochondriální DNA a měly podstatné nedostatky: ta první použila velice rozsáhlý taxonomický vzorek (135 taxonů), ale nekompletní mtDNA sekvence; zatímco ta druhá analyzovala kompletní mt-genomy, avšak u daleko menšího počtu taxonů. Pacheco et al. (2011), kteří zkombinovali to nejlepší z obou studií, přinesli spíše rozporuplné výsledky: v první z dílčích analýz byli sesterským taxonem Mirandornithes opět dlouhokřídlí, ovšem v kombinaci s holuby; v té druhé pak skupina složená z "brodivých", "veslonohých", tučňáků, trubkonosých, potáplic a zcela bizarně i potuů (Nyctibiidae). (Mayr [2011] takové uskupení nazval Aequornithes, potuovité ale v souladu s daty z morfologie i jaderné DNA řadil úplně jinam.) S holuby – resp. s kladem sestávajícím z holubů, mesitů, stepokurů a faetonů – dala mirandornity dohromady také dosud největší studie jaderné DNA (Hackett et al. 2008). Aby otestovali co nejvíce z těchto hypotéz, zařadili Suh et al. (2012) do svého rozboru potáplici, racka a holuba. Škoda je snad jen vynechání mesitů, které coby sesterskou skupinu Mirandornithes ve své vynikající revizi ptačí fylogenetiky navrhl Mayr (2011).

Fylogenetický strom, založený na analýze 15 retropozonových inzercí metodou nejvyšší úspornosti. Tmavošedé kuličky symbolizují fylogeneticky informativní markery odkryté pomocí nové metody; světle šedá kulička nad větví B označuje inzerci objevenou v sekvencích z GenBanku a černá kolečka reprezentují inzerce jedinečné pro daný terminální taxon. Způli vyplněné kolečko označuje dimorfickou (bialelickou) inzerci – v populaci potápky malé se vyskytuje jak alela, která ji nese, tak i alela, která ji postrádá. Hvězdička vyznačuje taxony, pro které přinesla podporu předchozí retropozonová studie zaměřená na větev vedoucí k zebřičce pestré (Suh et al. 2011b). Kladogram vyvrací hypotézu o blízkém příbuzenském vztahu potápek a potáplic, založenou především na pánevní morfologii, a podporuje naopak hypotézu Mirandornithes, podle níž mají ze všech žijících ptáků k potápkám nejblíže plameňáci. Zobrazené taxony jsou (odshora dolů): potápka malá, potápka australská, potápky roháč a žlutorohá, plameňáci, potáplice, racci, holubi, zebřička pestrá a kuře. (Zdroj: Suh et al. 2012: Figure 3)

Fylogram zkonstruovaný metodou nejvyšší věrohodnosti, zobrazující příbuzenské vztahy mezi CR1 elementy přítomnými u potápky malé (tučná písmena na šedém pozadí) a podrodinami stejné skupiny retropozonů známými od kuřete (šedě) a zebřičky malé (černě). Fylogeneze je založena na 0,7 kilobázích z 3’ konce příslušných inzercí a zakořeněna byla podle želví podrodiny CR1 (PSLINE). Zobrazeny jsou bootstrapové podpory nad 50%, 100% hodnoty jsou vyznačené hvězdičkou. (Zdroj: Suh et al. 2012: Figure S2)

3.2 Evoluce retropozonů

    Autoři dělí 15 prozkoumaných inzercí do 4 podrodin podle toho, v jakém období byly aktivní, což koresponduje s tím, na jakém uzlu je odkrývá fylogenetická analýza. Dvě z nich se nacházejí u potápek a plameňáků, avšak u žádného jiného ze zkoumaných ptáků – další důkaz toho, že hypotéza o blízkém příbuzenství potápek a potáplic je chybná a založená pouze na konvergentních podobnostech, vyplývajících ze shodného způsobu plavání pomocí zadních končetin. Podpořena je tím naopak existence kladu Mirandornithes a Mayrovo tvrzení, že sesterský vztah mezi plameňáky a potápkami představuje jeden z nejlépe podložených "kladů vyšší úrovně" v rámci moderních ptáků (Mayr 2004). Jak na DML podotkl David Marjanović, zdá se, že jeden z nejlépe podložených kladů může být klidně přehlížen skoro 250 let: systematiky nikdy nenapadl, dokud jej neodkryli van Tuinen et al. (2001) s kombinovanou analýzou jaderné a mitochondriální DNA. Podpora pro toto seskupení začala rychle vzrůstat, a to jak díky molekulám (Brown et al. 2008; Hackett et al. 2008; Morgan-Richards et al. 2008; Pacheco et al. 2011), tak i dlouho nedoceněným morfologickým datům (Mayr 2004; Manegold 2006), paleontologii (Mayr 2007) nebo parazitologii (Johnson et al. 2006). Nyní se přidávají i retropozony.
    Ze zbylých 13 retropozonů se 3 vyskytují u všech zahrnutých potápek, čímž (statisticky významně) podporují monofylii kladu Podicipediformes. 5 dalších inzercí potvrzuje monofylii kladu Tachybaptus, který zahrnuje jak potápku malou, tak i potápku australskou, v souladu s uznávanou taxonomií potápek (Fjeldså 2004). A konečně posledních pět markerů je autapomorfických pro potápku malou či dokonce nějakou její konkrétní populaci. Jedna z inzercí se dokonce zdá být dimorfická: v genofondu potápek malých je zatím přítomna jak alela s retropozonem, tak i alela bez něj. Jde o vůbec první případ, kdy byla v rámci ptáků zaznamenána retropoziční aktivita specifická pro jediný terminální taxon ("druh"), a o důkaz toho, že by CR1 retropozony mohly být užitečné pro budoucí studie z oblasti populační genetiky (viz výše).
    Studie Suha a spol. je cenná také pro vhled, který vnáší do evoluce samostatných retropozonů. Zajímavá je např. skutečnost, že jedna z inzercí přítomných u všech mirandornitů je blízce příbuzná jednomu podtypu rodiny CR1, který byl zdokumentován u pěvčí linie moderních ptáků (viz obrázek výše). Zatímco v pěvčí linii aktivita této konkrétní skupiny retropozonů končí s neoavianní radiací – období velmi rychlého odštěpování vývojových větví, při kterém vznikly všechny moderní ptačí "řády" mimo hrabavých, vrubozobých a paleognátů a ke kterému zřejmě došlo těsně před koncem křídy –, v linii potápek trvala daleko déle a skončila až s oddělením linie potápek od linie plameňáků před téměř 50 miliony let (Brown & van Tuinen 2011). Suh a spol. uznávají, že se jejich studie zabývala jen malým zlomkem všech CR1 retropozonů obsažených v genomu potápky malé; jejím hlavním cílem však bylo ukázat postup, jakým lze extrahovat retropozony z jakéhokoli ptačího genomu bez nutnosti úplného osekvenování. Metoda podle všeho skutečně funguje: ač autoři tato data neukázali, úspěšně ji dokázali aplikovat i na papouška, sokola a pštrosa emu, aniž by se setkali s nějakým závažným problémem. Postup dále dokáže identifikovat nejen dlouho mrtvé inzerce, jako jsou ty, které sjednocují Mirandornithes (aktivní v raném paleogénu) a Eufalconimorphae (ve svrchní křídě), ale i retropozony aktivní stále nebo aspoň velmi nedávno, jak naznačuje nalezení bialelické inzerce u potápky malé. Cílená extrakce retropozonů pomocí CR1 slibuje odkrýt spoustu markerů potenciálně užitečných pro studium fylogeneze, genomové evoluce a populační genetiky u ptáků a do budoucna snad i jiných skupin.

4. Acknowledgments

    Děkuji Alexanderu Suhovi za to, že mě upozornil na svou novou publikaci, a za ochotu, s níž zodpověděl mé otázky ohledně vlivu homoplazie na retropozonové fylogenetické analýzy – některá z jeho vysvětlení jsem využil i v tomto článku.

Zdroje:

• http://dml.cmnh.org/2011Aug/msg00389.html
• http://blogs.scientificamerican.com/tetrapod-zoology/.../raptor-vs-raptor/#comment-2589
• http://www.natur.cuni.cz/.../bakalarske-prace-jaro-2011/dvorakova/bc-dvorakova.pdf
• http://en.wikipedia.org/wiki/Genomic_library
• http://dml.cmnh.org/2004Feb/msg00055.html
• Brown JW, Rest JS, García-Moreno J, Sorenson MD, Mindell DP 2008 Strong mitochondrial DNA support for a Cretaceous origin of modern avian lineages. BMC Biol 6: 6
• Brown JW, van Tuinen M 2011 Evolving perceptions on the antiquity of the modern avian tree. 306–24 in Dyke GJ, Kaiser G, eds. Living Dinosaurs: The Evolutionary History of Modern Birds. London: John Wiley and Sons
• Fjeldså J 2004 The grebes. New York: Oxford Univ Press.
• 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
• Han K-L, Braun EL, Kimball RT, Reddy S, Bowie RCK, Braun MJ, Chojnowski JL, Hackett SJ, Harshman J, Huddleston CJ, Marks BD, Miglia KJ, Moore WS, Sheldon FH, Steadman DW, Witt CC, Yuri T 2011 Are transposable element insertions homoplasy free? An examination using the avian tree of life. Syst Biol 60(3): 375–86
• Johnson KP, Kennedy M, McCracken KG 2006 Reinterpreting the origins of flamingo lice: cospeciation or host-switching? Biol Lett 2(2): 275–8
• Kriegs JO, Matzke A, Churakov G, Kuritzin A, Mayr G, Brosius J, Schmitz J 2007 Waves of genomic hitchhikers shed light on the evolution of gamebirds (Aves: Galliformes). BMC Evol Biol 7: 190
• Liu Z-F, He L-W, Yuan H-G, Yue B-S, Li J 2012 CR1 retroposons provide a new insight into the phylogeny of Phasianidae species (Aves: Galliformes). Gene 502(2): 125–32
• Livezey BC 2011 Progress and obstacles in the phylogenetics of modern birds. 117–45 in Dyke GJ, Kaiser G, eds. Living Dinosaurs: The Evolutionary History of Modern Birds. London: John Wiley and Sons
• 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
• Manegold A 2006 Two additional synapomorphies of grebes Podicipedidae and flamingos Phoenicopteridae. Acta Ornithol 41(1): 79–82
• Matzke A, Churnakov G, Berkes P, Arms EM, Kelsey D, Brosius J, Kriegs JO, Schmitz J 2012 Retroposon insertion patterns of neoavian birds: strong evidence for an extensive incomplete lineage sorting era. Mol Biol Evol 29(6): 1497–501
• Mayr G 2004 Morphological evidence for sister group relationship between flamingos (Aves: Phoenicopteridae) and grebes (Podicipedidae). Zool J Linn Soc 140(2): 157–69
• Mayr G 2007 The contribution of fossils to the reconstruction of the higher level phylogeny of birds. Spec Phyl Evol 1: 59–64
• Mayr G 2011 Metaves, Mirandornithes, Strisores, and other novelties – a critical review of the higher-level phylogeny of neornithine birds. J Zool Syst Evol Res 49(1): 58–76
• Meredith RW, Janečka JE, Gatesy J, Ryder OA, Fisher CA, Teeling EC, Goodbla A, Eizirik E, Simão TL, Stadler T, Rabosky DL, Honeycutt RL, Flynn JJ, Ingram CM, Steiner C, Williams TL, Robinson TJ, Burk-Herrick A, Westerman M, Ayoub NA, Springer MS, Murphy WJ 2011 Impacts of the Cretaceous Terrestrial Revolution and KPg extinction on mammal diversification. Science 334(6055): 521–4
• Miyamoto MM 1999 Molecular systematics: Perfect SINEs of evolutionary history? Curr Biol 9(21): R816–9
• Morgan-Richards M, Trewick SA, Bartosch-Härlid A, Kardailsky O, Phillips MJ, McLenachan PA, Penny D 2008 Bird evolution: testing the Metaves clade with six new mitochondrial genomes. BMC Evol Biol 8: 20
• Nishihara H, Hasegawa M, Okada N 2006 Pegasoferae, an unexpected mammalian clade revealed by tracking ancient retroposon insertions. Proc Natl Acad Sci USA 103(26): 9929–34
• Pacheco MA, Battistuzzi FU, Lentino M, Aguilar RF, Kumar S, Escalante AA 2011 Evolution of modern birds revealed by mitogenomics: timing the radiation and origin of major orders. Mol Biol Evol 28(6): 1927–42
• Ray DA 2007 SINEs of progress: Mobile element applications to molecular ecology. Mol Ecol 16: 19–33
• Ray DA, Xing J-C, Salem A-H, Batzer MA 2006 SINEs of a nearly perfect character. Syst Biol 55(6): 928–35
• Sangster G 2005 A name for the flamingo-grebe clade. Ibis 147(3): 612–5
• Sober E 2004 The contest between parsimony and likelihood. Syst Biol 53(4): 644–53
• Suh A, Kriegs JO, Brosius J, Schmitz J 2011a Retroposon insertions and the chronology of avian sex chromosome evolution. Mol Biol Evol. 28(11): 2993–7
• Suh A, Kriegs JO, Donnellan S, Brosius J, Schmitz J 2012 A universal method for the study of CR1 retroposons in nonmodel bird genomes. Mol Biol Evol doi:10.1093/molbev/mss124
• Suh A, Paus M, Kiefmann M, Churakov G, Franke FA, Brosius J, Kriegs JO, Schmitz J 2011b Mesozoic retroposons reveal parrots as the closest living relatives of passerine birds. Nature Comms 2: 443
• Steel M, Penny D 2000 Parsimony, likelihood, and the role of models in molecular phylogenetics. Mol Biol Evol 17(6): 839–50
• van de Lagemaat LN, Gagnier L, Medstrand P, Mager DL 2005 Genomic deletions and precise removal of transposable elements mediated by short identical DNA segments in primates. Genome Res 15(9): 1243–9
• van Tuinen M, Butvill DB, Kirsch JAW, Hedges SB 2001 Convergence and divergence in the evolution of aquatic birds. Proc R Soc Lond B 268(1474): 1345–50
• Volff J-N, Hornung U, Schartl M 2001 Fish retroposons related to the Penelope element of Drosophila virilis define a new group of retrotransposable elements. Mol Gen Genom 265(4): 711–20
• Waddell PJ, Kishino H, Ota R 2001 A phylogenetic foundation for comparative mammalian genomics. Genome Inform 12: 141–54
• Wang W, Kirkness EF 2005 Short interspersed elements (SINEs) are a major source of canine genomic diversity. Genome Res 15: 1798–808
• Watanabe M, Nikaido M, Tsuda TT, Inoko H, Mindell DP, Murata K, Okada N 2006 The rise and fall of the CR1 subfamily in the lineage leading to penguins. Gene 365: 57–66
• Zhang Y-J, Wu Y-R, Liu Y-L, Han B 2005 Computational identification of 69 retroposons in Arabidopsis. Plant Physiol 138: 935–48
• Zhou X-M, Xu S-X, Xu J-X, Chen B-Y, Zhou K-Y, Yang G 2011 Phylogenomic analysis resolves the interordinal relationships and rapid diversification of the laurasiatherian mammals. Syst Biol 61(1): 150–64

    Pokud o nějaké nové práci nedokážu napsat do dvou měsíců od jejího vydání, většinou o ní už nenapíšu vůbec. Tentokrát však udělám výjimku: studie Ksepky & Clarke (2012) o vymřelých papoušcích byla sice v Journal of Vertebrate Paleontology publikována už 29. února (hned vedle další Ksepkovy studie o tučňácích), připadá mi ale příliš zajímavá na to, abych ji na blogu zcela opomněl. Přál bych si vídat takto kvalitních prací ještě více.

1. Úvod: proč se zajímat o papoušky

    Důvodů je samozřejmě celá spousta. Krom těch banálních (je to velká skupina ptáků, kteří jsou navíc často hezky barevní) se najde i celá řada dobrých. Papoušci mají zcela unikátní anatomii lebky (Zusi 1993), která je u všech zástupců stejná bez ohledu na obývané prostředí, geografický výskyt či přesné složení potravy. Do extrému je v ní dovedena typická ptačí schopnost lebeční kineze, tj. pohyblivost zobáku oproti zbytku hlavy (Paul 2002); a zahrnuje zváštní čelistní sval, který nikde jinde nenajdeme (Zusi 1993). Papouščí čelisti jsou vůbec zajímavé – aby také ne, když dovedou louskat ořechy, které člověk nerozbije bez kladiva. Tito ptáci také mají překvapivě spletitou vnitřní fylogenezi, kterou sice v posledních letech uspokojivě rozřešily molekulární studie, ovšem do podoby, která absolutně nepřipomíná staré klasifikace. Tento fakt odráží skutečnost, že papoušci mají za sebou překvapivě dlouhou evoluční historií, sahající snad až 80 milionů let zpět (Wright et al. 2008).
    Snad nejzajímavější jsou ale objevy posledních let, které konečně umožnily pevně usadit papoušky v rámci ptačí fylogeneze; něco, co se ornitologům dlouho nedařilo. Výsledky jsou ale šokující. Sesterský vztah s pěvci (Ericson et al. 2006; Hackett et al. 2008; Suh et al. 2011) sice nebyl ani v nejmenším očekáván, stále by ale docela dával smysl – pěvci konec konců s papoušky sdílí schopnost vokálního učení (však jsou po ní i pojmenováni), a tato skutečnost může být zásadní pro další výzkum evoluce obou skupin (Barker 2011). Jenže výsledná skupina zahrnující jak papoušky, tak pěvce, kterou Suh et al. (2011) pojmenovali Psittacopasserae, je v sesterském vztahu ještě bizarnějším. Tytéž fylogenomické analýzy, které odkrývají Psittacopasserae, totiž zároveň ukazují, že nejbližšími žijícími příbuznými tohoto kladu jsou draví sokoli a poštolky, kteří naopak nemají nic společného s orly, supy, jestřáby a krahujci. Pro ty z nás, kteří nemáme problém splést si motáka kropenatého a raroha prériového, je zpráva, že druhý dravec je ve skutečnosti blíže příbuzný pestrobarevným loriům a neškodným andulkám, jemně řečeno překvapivá. Zřejmě to tak ale opravdu je: příbuzenský svazek papoušků, pěvců a sokolovitých (nazývaný Eufalconimorphae) potvrzují jak studie desítek jaderných lokusů (Hackett et al. 2008; Wang et al. 2011), tak i fylogeneticky velmi cenných "skákajících genů" (Suh et al. 2011).
    Šlo by jen o zajímavou kuriozitku, kdyby tento objev neměl rozsáhlé implikace pro papouščí evoluční historii. Draví sokolovití totiž v rámci převážně býložravých či hmyzožravých eufalkonimorfů nejsou žádnou podivnou deviací; naopak právě oni podle všeho nejvěrněji odrážejí podobu společného předka všech tří extrémně odlišných skupin. Sesterskou skupinou eufalkonimorfů jsou totiž zřejmě seriemy, které – ač všežravé – mají nezpochybnitelnou historii vrcholových predátorů: proslulí "hrůzoptáci" forusrakoidi byli ze všech žijících ptáků nejblíže příbuzní právě jim. Půjdeme-li na kladogramu ještě o jeden uzel hlouběji, narazíme na podivné seskupení tvořené šplhavci, "srostloprstými", trogony, kurolem, sovami, jestřábovitými a jejich příbuznými (souhrnně nazývanými Accipitriformes) a kondory. Pro nás je ale důležité to, že na bázi této rozmanité skupiny opět stojí dravci: kondoři, akcipitriformové a sovy. Buď tedy linie jestřábů a sov, linie seriem a linie sokolů přešly na dravý způsob života každá samostatně, nebo jej zdědily od společného předka. Druhá možnost je úspornější; znamená však, že papoušci (a pěvci) se museli na ořechy, hmyz a plody přeorientovat až druhotně. Tuto hypotézu podporuje i fakt, že v kmenové linii papoušků* nalézáme "raptoriální" taxony, nesoucí řadu povrchních podobností s jestřáby či sovami. A zde se konečně dostávají na řadu Ksepka & Clarke (2012).

*Vydáváme-li se mezi fosilie, můžeme pojem "papoušci" aplikovat na dvě odlišné skupiny. Ta první zahrnuje všechny žijících papoušky, jejich posledního společného předka a všechny (i vymřelé) potomky tohoto předka: nazýváme-ji Psittaciformes a skládá se z kakapovitých (Strigopidae), kakaduovitých (Cacatuidae) a papouškovitých (Psittacidae). Patří-li nějaká fosilie do této skupiny, můžeme si být jistí, že co platí pro všechny žijící papoušky, platilo i pro ni. Alternativou je nazývat papoušky všechny ptáky, kteří jsou (nebo byli) blíže příbuzní Psittaciformes než jakémukoli jinému žijícímu taxonu. Taková skupina se nazývá Pan-Psittaciformes a obsahuje všechno, co obsahovala skupina předchozí; krom toho však i něco navíc. A právě tohle "něco navíc" nazýváme papouščí kmenová linie (angl. "stem group" – jejím zástupcům se může říkat třeba "stem-parrots", česky tedy asi "prapapoušci"): to, co platí pro dnešní papoušky, nemusí nutně platit zde.

2. Papouščí fosilní záznam

    Ksepka a Clarke začínají zeširoka: přehledem fosilního záznamu celé skupiny. Krom podivné mandibulární symfýzy neexistují žádné doklady pro výskyt papoušků před K/Pg rozhraním, a i tato sporná fosilie nejspíše patří oviraptorosaurům (viz loňskou diskuzi na DML). Co se kenozoických nálezu týče, ještě Olson (1985) považoval fosilní záznam papoušků za mimořádně slabý dokonce i na poměry moderních ptáků, od té doby se však mnoho věcí změnilo. Popsány byly celé nové skupiny: Quercypsittidae s 2 podtaxony, Halcyornithidae s 6 podtaxony, nepojmenované fosilie z London Clay Formation, zřejmě náležejících k několika odlišným taxonům (Mayr & Daniels 1998; Mayr 2009), a Psittacopes z proslulého německého Messelu. Tito ptáci sdílí s žijícími papoušky různé množství apomorfií: halcyornitidi už např. disponují zygodaktylní nohou (v níž dva prsty směřují dopředu a dva dozadu – pro šplhavé ptáky jde o ideální uspořádání, které se nezávisle objevilo také u myšáků či šplhavců), postrádají však ještě typický specializovaný zobák. To Psittacopes a kersýpsittidi mají k dnešním papouškům blíž, ale stále ještě postrádali některé jejich typické znaky. Zobák už měl sice krátkou a robustní horní část zobáku, která však ještě nebyla tak silně zahnutá dolů, a ani dolní čelist ještě nebyla tak hluboká a krátká. Spolu s primitivními znaky běháku to naznačuje, že Psittacopes se krmil jiným způsobem, než který známe od dnešních papoušků – ti si totiž pomocí nohou podávají potravu do zobáku, a obě části těla tak propojili do jediného funkčního komplexu, který Psittacopes ještě neměl (Mayr 2009). U kersýpsittidů jsou podobné odhady ekologie těžší, neboť je známe jen z postkraniálních koster. Tyto taxony možná ukazují, že paleogénní prapapoušci obývali jiné niky než jejich dnešní příbuzní; rozhodně ale nejde o dravce.
    Ty do papouščí kmenové linie dodalo až přehodnocení některých fosilií, které byly dříve spojovány s jinými skupinami. Snad nejpřekvapivější bylo, když mezi prapapoušky skončil Messelastur. Tento podivný pták z německého eocénu byl nejprve s určitými výhradami přiřazen k jestřábovitým (Peters 1994), aby jej následně Mayr (2005) proměnil v "přechodný článek" mezi denními dravci a sovami. Zatímco příbuznost obou skupin se předpokládala už v 19. století, Mayrova šílená hypotéza kladla sovy dovnitř denních dravců, blíž k jestřábům, než měli mít třeba hadilovové nebo kondoři. Messelastur v tom hrál důležitou úlohu: Mayr (2005) spatřoval v jeho běháku a tibiotarzu soví apomorfie, zatímco lebka připomínající sokoly měla být pleziomorfická. Fylogenetická analýza jeho úsudek podpořila a messelastura (společně s o něco menším taxonem Tynskya – souhrnně jsou oba ptáci nazýváni Messelasturidae) zařadila do kmenové linie sov. O čtyři roky později však Mayr (2009) svůj názor změnil nečekaným směrem: zaznamenal četné podobnosti mezi messelasturidy a halkyornitidy, přičemž papouščí znaky halkyornitidů evidentně přebíjejí soví znaky messelasturidů. Kompletní kostra messelastura tento závěr potvrdila (Mayr 2011); jeho zobák s hákovitou špičkou a pařáty současně nikoho nenechají na pochybách, že tenhle papoušek byl dravcem. Zatím posledním přírůstkem do papouščí kmenové linie je Vastanavis, špatně známá indická skupina s polo-zygodaktylní nohou (Mayr et al. 2010), o jejímž přesunu jsem něco málo napsal i tady na blogu.

Vlevo: lebka fosilního papouška Messelastur gratulator (A) v porovnání s lebkou poštolky obecné Falco tinnunculus (C). Podobnosti je těžké přehlédnout. (no) výběžek pod zadním koncem kosti jařmové, (psu) nadočnicový výběžek. Bílé šipky ukazují na spodní čelist, která se Mayrovi ve srovnání s dravými ptáky zdála neobvykle vysoká – na papouščí poměry ale nejde o nic neobvyklého. Měřítko odpovídá 1 cm. Vpravo: kladogram zobrazující fylogenetické vztahy mezi papoušky (na obrázku zastoupenými nestorem kea), pěvci (zebřička pestrá) a sokolovitými, jak byly zrekonstruovány na základě sdílení retropozonových inzercí (šedé kuličky nad větvemi). (Modifikováno z Mayr 2005: Figure 1 a Suh et al. 2011: Figure 1)

3. Avolatavis tax. nov.

    Ksepka & Clarke (2012) nicméně dva měsíce zpátky přidali k Pan-Psittaciformes ještě jeden taxon. Pochází z raně eocénních vrstev severoamerické Green River Formation, které tehdy vytvářely systém sladkovodních jezer obklopených nížinnými lesy. Takové prostředí je ideální po fosilizaci, takže z Green River známe ekologicky i fylogeneticky velice rozmanitou ptačí faunu (Ksepka & Clarke 2010a), která zahrnovala i několik prapapoušků: messelasturida Tynskya a dva taxony halkyornitida Cyrilavis. Čtvrtý zástupce této skupiny, kterého popisují Ksepka a Clarke, je znám z artikulované kostry zahrnující pánev, ocasní obratle, kompletní levou nohu a přírodní odlitek nohy pravé. Vztyčení nového taxonu podporuje jedinečný odvozený znak v podobě vejčitého hrbolku na bázi kladky (trochlea) druhé nártní kosti. Fosilní papoušek dostal promyšlené jméno Avolatavis tenens: prenomen je odvozen z latinského "avolare" (odletět) a naráží na skutečnost, že tito ptáci ze Severní Ameriky po eocénu zcela vymizeli, zatímco přívlastek je příčestím od slovesa "držet" a odkazuje na zygodaktylní stavbu nohy.
    Zařazení avolatavise k papouškům podporuje několik znaků. Krom typických proporcí prstních článků na noze jde i o zavalitý běhák, který fylogenetická analýza (viz níže) optimizuje coby synapomorfii celého kladu Pan-Psittaciformes. Zygodaktylní noha je méně jistým znakem, neboť (jak je zmíněno výše) papoušci nejsou zdaleka jediní ptáci, kteří takovým uspořádáním prstů disponují. Mimořádně zajímaví je v tomto ohledu např. skupina po tomto rysu dokonce pojmenovaná, Zygodactylidae z evropského oligocénu a miocénu. Jediná dosud provedená fylogenetická analýza ji zařadila do kmenové linie pěvců (Mayr 2008), což otevírá možnost, že by zygodaktylní noha původně necharakterizovala pouze papoušky, ale klad Psittacopasserae jako celek (Mayr 2009). Avolatavis ale k zygodaktylidům nepatří, jak potvrzuje již zmiňovaný podsaditý běhák a zkrácené proximální prstní články. S nejvyšší pravděpodobností nemá nic společného ani s rovněž zygodaktylním eurofluvioviridavisem, což Ksepka a Clarke usuzují opět především na základě krátkých prstních článků.
    Pokud jde o anatomii, Avolatavis disponuje 7 volnými ocasními obratli (volný v tomto smyslu znamená "nezačleněný do pygostylu"), zatímco většina žijících papoušků jich má jen 5. Od svých nynějších příbuzných jej dále odlišuje mohutnost prstů na noze: všechny vypadají v zásadě stejně, kdežto recentní papoušci mají třetí i čtvrtý prst podstatně robustnější než ten druhý. Pánev oproti tomu vykazuje některé rysy typické pro všechny zástupce Pan-Psittaciformes (tedy pro dnešní papoušky i jejich kmenovou linii), jako je např. kyčelní kost nedokonale přirostlá ke srostlým křížovým obratlům. Opakovaně zmiňovaný krátký, zavalitý běhák je u avolatavise ještě poměrně gracilní oproti tomu, co pozorujeme např. u dnešních kakaduů nebo amazoňanů. Je také patrné, že proximální otvůrek pro vyživující cévy na boční straně běháku se nachází daleko proximálněji (tedy blíž holeni) než analogický otvůrek na vnitřní straně běháku. U žijících papoušků, vastanavise a kersýpsitty je tomu stejně, zatímco jiní prapapoušci tento rys nevykazují; zajímavá je ale hlavně skutečnost, že totéž lze pozorovat u sokolů. Možná by tedy mohlo jít o morfologickou synapomorfii Eufalconimorphae. (Ne že bychom o několika takových už nevěděli – v Jollieho pracích o anatomii dravých ptáků [Jollie 1976–7] se jich skrývá hned několik, a Darren Naish jich nedávno pár vyjmenoval na Tetrapod Zoology.)

Pařáty nového fosilního papouška avolatavise. Zkratky: (fl) příruba na bočním konci hypotarzu, (fvd) distální vaskulární foramen, (fvpl) boční proximální vaskulární foramen, (fvpm) proximální vaskulární foramen na vnitřní straně nohy, (gr) žlábek na kladce druhého metatarzálu, (tb) hrbolek u báze druhého metatarzálu, (tr) odlomená báze příruby nebo přídatné kladky (trochlea accessoria) čtvrtého metatarzálu. (Zdroj: Ksepka & Clarke 2012: Figure 3)

4. Fylogeneze

    Stejně jako u tučňáků (Ksepka & Clarke 2010b), i zde Dan Ksepka a Julia Clarke prezentují fylogenetickou analýzu založenou na kombinovaných datech z genů a morfologie. Už minule jsem psal, že mi to připadá jako skvělý nápad. Zrovna v případě ptáků jsou konflikty mezi molekulami a morfologií docela ostré (byť práce Geralda Mayra ukazují, že i zde jde především o konflikty intramolekulární a intramorfologické) a pokud budeme fylogenetický vztah fosilií vůči žijícím taxonům testovat jen pomocí morfologie, dostaneme pravděpodobně mezi žijícími taxony takové vztahy, které molekuly celou svou vahou odmítají – a to by nemělo být ignorováno. Vezměme si třeba výše uvedenou historii messelastura. Je hezké, že ho analýza našla vedle sov; jenže celý klad (sovy + Messelasturidae) se pak na tomtéž stromku ocitl vedle skupiny (jestřábovití + sokolovití). A žádná, absolutně žádná molekulární analýza nikdy nedokázala odkrýt sesterský vztah mezi jestřáby a sokoly, pokud ji k tomu tedy autoři natvrdo nepřinutili. A jak už jsem napsal výše, Jollie považoval podobnosti těchto dvou skupin dravců za konvergentní už v 70. letech čistě na základě morfologie. Pokud tedy strom obsahuje takto nedůvěryhodná seskupení, můžeme věřit tomu, že zrovna pozici fosilií odhadl správně? Zahrnutí molekul umožňuje se těmto pochybnostem vyhnout.
    Ksepka & Clarke (2012) proto k 105 morfologickým znakům přidali ještě sekvence cytochromu b (mitochondrie), RAG 1 (jádro) a spindlinu, genu z ptačích pohlavních chromozomů (v tomto případě z chromozomu Z), který už dříve využili k rozřešení papouščí fylogeneze de Kloet & de Kloet (2005). Taxon sampling dále zahrnuje 8 žijících papoušků, zastupujících všechny hlavní klady (kakapovité, kakaduovité i papouškovité), a 11 fosilních zástupců Pan-Psittaciformes. Dataset není zcela nový: přišli s ním už Ksepka et al. (2011) a nyní byl pouze rozšířen o 3 OTUs (Messelastur, Vastanavis, Avolatavis) a 4 morfologické znaky. Autoři objasňují volbu kódování: messelasturidní Tynskya byla vynechána, jelikož její holotyp (ač téměř kompletní) je tak poškozený, že z ní lze relevantní znaky vytáhnout jen velmi těžko, a Vastanavis byl zastoupen jediným OTU slepeným dohromady ze známých exemplářů V. eocaena a běháků, které Mayr et al. (2010) přiřadili k "V. sp". Autoři však vyzkoušeli i to, jaký efekt bude na analýzu mít, pokud pro vastanavise nakódují pouze ty znaky, které je možné zjistit z materiálu V. eocaena. Konečně jako outgroup byli použiti pěvci, sokolovití a myšáci: první dvě skupiny klade do blízkosti papoušků fylogenomika, tu třetí morfologie zadních končetin, jaderný gen ZENK a kombinovaná analýza mitochondriálních sekvencí a 9. intronu PEPCK (Cracraft et al. 2004). Není bez zajímavosti, že samotný 9. intron PEPCK dá opět dohromady papoušky s pěvci (Sorenson et al. 2003).
    Výsledky se celkem shodují s tím, co loni odhalili s první verzí této matrice Ksepka et al. (2011). Rozbor byl opět proveden neváženou parsimonií a vyprodukoval 3 nejúspornější stromy, které se lišily jedině vnitřní strukturou halkyornitidů. Vztahy mezi žijícími papoušky byly rozřešeny bez polytomií a kupodivu se na nich shodla kombinovaná i čistě morfologická analýza: jediná věc, kterou morfologie nebyla schopna odhalit, je sesterský vztah amazoňanů (Amazona) a papouška patagonského (Cyanoliseus). Zcela se shodují také s tím, co odkryli Wright et al. (2008) a Schweizer et al. (2010) na základě vícero jaderných lokusů. V kmenové linii je novinkou skupina sjednocující halkyornitidy, vastanavise a messelastura, sjednocený dvěma znaky. Ten první z nich může být pleziomorfický (je znám od řady vymřelých moderních ptáků a dokonce i od ichtyornise), navíc je v rámci Pan-Psittaciformes homoplastický. Druhý znak – krátký medianoplantární hřeben na běháku – už se zdá být spolehlivější, přestože jistou míru homoplazie vykazuje taky. V rámci tohoto nového kladu je na nejbazálnější pozici odkryt Vastanavis. Mayr et al. (2010) jeho pozici sice nedokázali rozřešit, navrhli však, že by mohlo jít o nejbazálnějšího zástupce Pan-Psittaciformes vůbec. Ksepka & Clarke (2012) mu dávají za pravdu: přesunout jej na tuto pozici vyžaduje jen 1 krok navíc a Vastanavis se druží k halkyornitidům a messelasturovi jen tehdy, pokud zahrneme kódování z V. sp. K přesnějšímu určení vastanavisovy pozice budou podle autorů potřeba další fosilie.

Striktní konsenzus 3 nejúspornějších stromů vzešlých z kombinované úspornostní analýzy 105 morfologických znaků, 2 jaderných a 1 mitochondriálního genu. Index rozkladu (udávající, kolik kroků navíc je nutné k tomu, aby daná větev ze stromu zmizela) pro celý dataset je zobrazen nad větví, index rozkladu pro morfologickou analýzu pod ní. Klad, který má pod větví číslo 0, byl jako jediný odhalen pouze v kombinované analýze. Žijící papoušci ("Crown clade Psittaciformes) zahrnují odshora dolů nestora kako, kakadu žlutolícího, kakadu černého, amazoňana pomoučeného, papouška patagonského, andulku vlnkovanou, loriho novoguinejského a loriho mnohobarvého. (Zdroj: Ksepka & Clarke 2012: Figure 4)

    V souladu s předchozími studiemi analýza odhalila klad složený z žijících papoušků, taxonů Quercypsitta, Psittacopes a nepojmenované fosilie z London Clay Formation, stejně jako tomu bylo v analýzách Mayra a Danielse (1998) a Mayra a spol. (2010). Ten podporuje celkem 5 odvozených znaků, jejichž přítomnost ale nelze ověřit u všech zahrnutých taxonů: od kersýpsitty známe jen dva a od avolatavise, který sem také spadá, dokonce jen jeden – konec konců, máme z něj jen pánev a nohu. Sesterský vztah avolatavise a kersýpsitty je podpořen jedinou synapomorfií: dobře vyvinutým zářezem na kladce druhého metatarzálu.

5. Diverzita a evoluce papouščí kmenové linie

    Autoři poznamenávají, že s rozeznáním avolatavise se stali papoušci (či lépe řečeno jejich total klad Pan-Psittaciformes) jednou z nejrozmanitějších skupin, jaká je v ptačí fauně souvrství Green River zastoupena. Zároveň však není nejrozšířenější: pouze jediný prapapoušek (Cyrilavis colburnorum) je znám z více než jednoho exempláře, zatímco jiní ptáci z téhož souvrství, jako je třeba zástupce kmenové linie fregatek Limnofregata, jsou zastoupeny i více než 10 jedinci.
    Morfologie nohy naznačuje, že Avolatavis uměl velmi dobře šplhat po stromech: stejně jako u dnešních arboreálních ptáků jsou i na jeho noze nejdelšími prstními články ty předposlední (Hopson 2001). Ksepka a Clarke připomínají, že absence tohoto znaku ale nemusí nutně znamenat, že schopnost pohybovat se ve větvích ptákovi chyběla, neboť dnešní nelétavý kakapo (Strigops) umí lézt po stromech docela dobře, ač tyto proporce prstních článků nevykazuje. Evoluce prstů na nohou však musela být u papoušků docela komplikovaná: už bylo řečeno, že Avolatavis má všechny prsty zhruba stejně robustní (a Psittacopes i messelasturidi jsou na tom stejně), zatímco u žijících papoušků a halkyornitidů jsou prsty III a IV znatelně mohutnější. Autoři navrhují, že k této modifikaci skutečně došlo dvakrát nezávisle na sobě; snad mohla zlepšovat úchop. Stejně komplexní historii mají i první metatarzál nacházející se na vnitřní straně nohy (přítomný u messelasturidů a žijících papoušků, ale nikde jinde) a zkrácení proximálních prstních článků, které opět prokazatelně souvisí s úchopem (Hopson 2001; druhotně ztraceno u psittakopese). Autoři svou práci uzavírají s tím, že evoluce moderních papoušků zahrnovala složitou sérii znakových transformací.

Alternativní hypotézy o příbuzenských vztazích v rámci Pan-Psittaciformes a evoluci jednotlivých znaků souvisejících s papouščí chápavou nohou. (A) výsledky analýzy Ksepky a Clarke, (B) fylogeneze preferovaná Mayrem a spol. (2010), s avolatavisem dosazeným na základě výsledků Ksepky a Clarke. Čísla odkazují na znakové stavy v datové matrici, kterou Ksepka & Clarke (2012) do své studie zařadili, a znamenají: (81:1) první metatarzál přesunutý na vnitřní stranu běháku; (89:2) plně vyvinutá trochlea accessoria na čtvrtém metatarzálu; (92:1) třetí a čtvrtý prst robustní, druhý gracilní; (93:0) proximální prstní články skoro stejně dlouhé jako ty předposlední (druhotná změna z výrazně zkráceného stavu, který je pro Pan-Psittaciformes charakteristický). (Zdroj: Ksepka & Clarke 2012: Figure 5)

Zdroje:

• Barker FK 2011 Phylogeny and diversification of modern passerines. 235–56 in Dyke GJ, Kaiser G, eds. Living Dinosaurs: The Evolutionary History of Modern Birds. London: John Wiley and Sons
• Cracraft J, Barker FK, Braun M, Harshman J, Dyke GJ, Feinstein J, Stanley S, Cibois A, Schikler P, Beresford P, García-Moreno J, Sorenson MD, Yuri T, Mindell DP 2004 Phylogenetic relationships among modern birds (Neornithes): toward an avian tree of life. 468–89 in Cracraft J, Donoghue M, eds.Assembling the Tree of Life. New York: Oxford Univ Press
• de Kloet RS, de Kloet SR 2005 The evolution of the spindlin gene in birds: sequence analysis of an intron of the spindlin W and Z gene reveals four major divisions of the Psittaciformes. Mol Phylogenet Evol 36: 706–21
• Ericson PGP, Anderson CL, Britton T, Elżanowski A, Johansson US, Källersjö M, Ohlson JI, Parsons TJ, Zuccon D, Mayr G 2006 Diversification of Neoaves: Integration of molecular sequence data and fossils. Biol Lett 2(4): 543–7
• 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
• Hopson JA 2001 Ecomorphology of avian and nonavian theropod phalangeal proportions: implications for the arboreal versus terrestrial origin of bird flight. 211–35 in Gauthier JA, Gall LF, eds. New Perspectives on the Origin and Early Evolution of Birds: Proceedings of the International Symposium in Honor of John H. Ostrom. New Haven (CT): Peabody Mus Nat Hist, Yale Univ Press
• Jollie M 1976–1977 A contribution to the morphology and phylogeny of the Falconiformes. Evol Theory 1: 285–98, 2: 285–300, 3: 1–141
• Ksepka DT, Clarke JA 2010a New fossil mousebird (Aves: Coliiformes) with feather preservation provides insight into the ecological diversity of an Eocene North American avifauna. Zool J Linn Soc 160: 685–706
• Ksepka DT, Clarke JA 2010b The basal penguin (Aves: Sphenisciformes) Perudyptes devriesi and a phylogenetic evaluation of the penguin fossil record. Bull Am Mus Nat Hist 337: 1–77
• Ksepka DT, Clarke JA 2012 A new stem parrot from the Green River Formation and the complex evolution of the grasping foot in Pan-Psittaciformes. J Vert Paleont 32(2): 395–406
• Ksepka DT, Clarke JA, Grande L 2011 Stem parrots (Aves, Halcyornithidae) from the Green River Formation and a combined phylogeny of Pan-Psittaciformes. J Paleont 85: 835–54
• Mayr G 2005 The postcranial osteology and phylogenetic position of the middle Eocene Messelastur gratulator Peters, 1994—a morphological link between owls (Strigiformes) and falconiform birds? J Vert Paleont 25(3): 635–45
• Mayr G 2008 Phylogenetic affinities of the enigmatic avian taxon Zygodactylus based on new material from the early Oligocene of France. J Syst Palaeont 6(3): 333–44
• Mayr G 2009 Paleogene Fossil Birds. Heidelberg: Springer
• Mayr G 2011 Well-preserved new skeleton of the Middle Eocene Messelastur substantiates sister group relationship between Messelasturidae and Halcyornithidae (Aves, ?Pan-Psittaciformes). J Syst Palaeont 9(1): 159–71
• Mayr G, Daniels M 1998 Eocene parrots from Messel (Hessen, Germany) and the London Clay of Walton-on-the-Naze (Essex, England). Senck Lethaea 78(1/2): 157–77
• Mayr G, Rana RS, Rose KD, Sahni A, Kumar K, Singh L, Smith T 2010 Quercypsitta-like birds from the early Eocene of India (Aves, ?Psittaciformes). J Vert Paleont 30(2): 467–78
• Olson SL 1985 The fossil record of birds. 79–238 in Farner DS, King JR, Parkes KC, eds. Avian Biology, Vol. 8. NewYork: Acad Press
• Paul GS 2002 Dinosaurs of the Air: The Evolution and Loss of Flight in Dinosaurs and Birds. Baltimore: Johns Hopkins Univ Press. i–ix + 460 p
• Peters DS 1994 Messelastur gratulator n. gen. n. sp., ein Greifvogel aus der Grube Messel (Aves: Accipitridae). Cou Forsch-Inst Senck 170: 3–9
• Schweizer M, Seehausen O, Güntert M, Hertwig ST 2010 The evolutionary diversification of parrots supports a taxon pulse model with multiple trans-oceanic dispersal events and local radiations. Mol Phylogenet Evol 54(3): 984–94
• Sorenson MD, Oneal E, García-Moreno J, Mindell DP 2003 More taxa, more characters: the hoatzin problem is still unresolved. Mol Biol Evol 20(9): 1484–98
• Suh A, Paus M, Kiefmann M, Churakov G, Franke FA, Brosius J, Kriegs JO, Schmitz J 2011 Mesozoic retroposons reveal parrots as the closest living relatives of passerine birds. Nature Comms 2: 443
• Wang N, Braun EL, Kimball RT 2011 Testing hypotheses about the sister group of the Passeriformes using an independent 30-locus data set. Mol Biol Evol 29(2): 737–50
• Wright TF, Schirtzinger EE, Matsumoto T, Eberhard JR, Graves GR, Sanchez JJ, Capelli S, Müller H, Scharpegge J, Chambers GK, Fleischer RC 2008 A multilocus molecular phylogeny of the parrots (Psittaciformes): support for a Gondwanan origin during the Cretaceous. Mol Biol Evol 25(10): 2141–56
• Zusi RL 1993 Patterns of diversity in the avian skull. 391–437 in Hanken J, Hall BK, eds. The Skull Vol. 2: Patterns of structural and systematic diversity. Chicago: Univ Chicago Press

    Nerad bych uvozoval každý článek frází "Mezi mé oblíbené pan-aviany patří mimojiné [taxon X]", tentokrát si to ale nemohu odpustit. Vedle kasuárů, člunozobců, arů hyacintových, kostěnozubých ptáků nebo wukongopteridních pterosaurů mám v mimořádné oblibě také tučňáky.
    Zároveň je na místě omluva: tučňáky začíná dlouhá série neontologických a paleontologických prací týkajících se moderních ptáků; na zbývající pan-aviany se po nějakou dobu nedostane. Následovat budou papoušci, retropozony a možná i zoo.

1. Malý exkurz do evoluční historie tučňáků

    Spolu s křídovými hesperornity a raně třetihorními plotopteridy představují tučňáci (Sphenisciformes) jeden z několika dinosauřích pokusů proniknout do vodního prostředí. Jejich počátky byly skromné: lze odhadnout, že první tučňáci vypadali asi jako dnešní alkouni úzkozobí (Uria aalge) s trubkovitými nozdrami – takové mají nejbližší žijící příbuzní tučňáků, albatrosi a buřňáci (Procellariiformes), a ještě dnes je vidíme u mláďat tučňáka nejmenšího (Kinsky 1960). Nevážili zřejmě víc než 1 kg: nad touto hranicí už by nešlo zkombinovat svalovou hmotu nutnou pro pohyb pod vodou se schopností aktivního letu (Ksepka & Ando 2011). Teprve když při katastrofě na rozhraní křídy a paleogénu vymřeli mosasauři a plesiosauři, mohli tučňáci přejít do vody natrvalo. Osvobození od nutnosti vzdušného letu jim umožnilo dovést k dokonalosti podvodní let – druh pohybu, který je tomu prvnímu až překvapivě podobný, ačkoli se odehrává v prostředí 800× hustším. Zmizela potřeba generovat vztlak, takže se celý pohyb křídla mohl zaměřit na maximalizaci dopředného tahu. Letky se přeměnily ve vodotěsné, šupinovité útvary, jejich ostny se zploštily a zcela vymizely nažiny (Ksepka & Ando 2011). Oči se adaptovaly na vidění pod vodou a kosti se zbavily rozsáhlých vzdušných vaků, které při potápění pouze překážejí.

    Z pohledu paleontologa je zajímavé především to, že řada těchto znaků (hlavně pak husté, masivní kosti) zvyšuje šance tučňáků fosilizovat. Díky tomu se stalo něco nevídaného: známe víc fosilních tučňáků než těch žijících. Panuje předběžná shoda na tom, že po dnešním světě se potápí a klouže 19 tučňáčích "druhů" (ani zde se samozřejmě nelze vyhnout sporům ohledně splittingu a lumpingu; situaci komplikuje hlavně nejisté postavení tučňáka bělopásého, Eudyptula albosignata). Z fosilního záznamu jich naproti tomu známe aspoň 49, zastoupených více než čtyřmi tisíci exempláři (Ksepka & Ando 2011). Tento článek píšu proto, že Ksepka et al. (2012) popsali na konci února dva další.

2. 150 let výzkumu tučňáčích fosilií

    Svou studii autoři začínají zeširoka, totiž objevem první tučňáčí fosilie, k němuž došlo už v roce 1859 a za nímž nestál nikdo jiný než Thomas Henry Huxley, známý svou podporou Darwina, první explicitně evoluční klasifikací ptáků (postavenou na kostěném patře) a spekulacemi o ptačím dinosauřím původu. Dotyčná fosilie pocházela ze severní části regionu Otago na novozélandském Jižním ostrově a Huxley (1859) ji popsal jménem Palaeeudyptes antarcticus. Jak píšou Ksepka et al. (2012), tento objev neodstartoval studium vymřelých tučňáků právě nejšťastnějším způsobem. K P. antarcticus byly defaultně přiřazovány téměř všechny další tučňáčí fosilie a jelikož jeho typový materiál tvořil pouze běhák (tarzometatarzus), začal se tomuto elementu připisovat přehnaný význam pro alfa taxonomii i vyšší systematiku. Klasifikaci založená na běháku z pochopitelných důvodů těžko zachytí reálné příbuzenské vztahy, jak posléze doložily první fylogenetické analýzy. Jako by to nestačilo, samotný holotyp P. antarcticus nebyl nikdy zahrnut do fylogenetické analýzy a do nedávné doby panovala značná nejistota o tom, z kterých vrstev byl odkryt. Ksepka et al. (2012) však přesvědčivě argumentují, že mohlo jít jedině o Ototara Limestone, datovaný do nejpozdnějšího eocénu až nejranějšího oligocénu (tzn. stáří asi 34 milionů let).

    Přestože výzkumu fosilních tučňáků rozšířil do Jižní Ameriky na přelomu 19. a 20. století Ameghino, první systematickou studii nabídl teprve Marples (1952). V ní rozebral celkem 38 různých exemplářů eocénního i oligocénního stáří a poprvé zdokumentoval mnoho rysů jejich archaické anatomie. Současně ho ale dost limitovala taxonomie, kterou ve své monografii používal: 11 z 38 exemplářů stále řadil pod P. antarcticus, přestože takto široce pojatý taxon vykazoval značnou velikostní i morfologickou variaci a doba jeho trvání by činila asi 10 milionů let. Roztřídění "taxonomického odpadkového koše" (angl. wastebasket taxon), kterým se Palaeeudyptes antarcticus stal, se v následujících letech stalo ústředním tématem tučňáčí paleontologie. Brodkorb (1963) vytrhl z P. antarcticus dva exempláře a přeřadil jej pod nově vztyčený taxon P. marplesi. Simpson (1971) uznal P. antarcticus a P. marplesi za validní, ale odmítl k nim přiřadit jakýkoli další materiál mimo jejich vlastních holotypů. Poznamenal, že v některých případech neexistuje žádný element, který by byl přítomen u každého exempláře a na jehož základě by bylo možné provést žádoucí srovnání. Výše uvedená časová mezera mezi nejstaršími a nejmladšími fosiliemi se mu navíc zdála příliš dlouhá na to, aby je šlo shrnout pod jediný "druh". Vše mimo holotypy P. antarcticus a P. marplesi tedy klasifikoval jako "Palaeeudyptes sp.". Fylogenetické analýzy navíc prokázaly, že exempláře popisované jménem Palaeeudyptes ani náhodou netvoří skupinu vylučující všechny ostatní tučňáky: Ksepka & Clarke (2010) odhalili různé exempláře a "druhy" paleeudypta v polytomii s ikadyptem, pachydyptem a všemi odvozenějšími tučňáky, přičemž exemplář údajného "paleeudypta" z Duntroon se zdál být blíže příbuzný žijícím tučňákům než kterémukoli svému jmenovci. Tyto výsledky nutnost rozsáhlé taxonomické revize ještě zvýšily, avšak fragmentární holotyp P. antarcticus a častá absence běháku u zbývajících exemplářů tento úkol znemožňovala.

    Naději na záchranu nicméně poskytují exempláře odkryté z vrstev Kokoamu Greensand, pocházejících z pozdního oligocénu (stáří asi 27 milionů let). Další novozélandská souvrství s tučňáčími fosiliemi jsou už zmiňovaný Otorara Limestone a Burnside Formation (raný pozdní eocén, asi 37 milionů let), odkud byl vyzdvižen holotyp taxonu Palaeeudyptes marplesi a také exemplář OM GL435, v různých studiích předběžně označovaný coby "Burnside 'Palaeeudyptes'" (např. Ksepka & Clarke 2010) a široce rozeznávaný jako samostatný taxon, který si zasluhuje vlastní formální jméno (Ando 2007).

Rekonstrukce dvou tučňáků z kladu Kairuku nad uvízlým delfínem. Scéna se odehrává na pozdně oligocénské pláži Nového Zélandu, autorem ilustrace je Chris Gaskin. (Zdroj: archaiologia.gr)

3. Kairuku

    To mu Ksepka et al. (2012) sice nedali, zato ale vnesli do systematiky vymřelých tučňáků hned několik jiných nových taxonů. Prvním z nich je Kairuku: klad diagnostikovaný třemi odvozenými znaky, mezi něž patří chybějící mediální hřeben na hypotarzu (což je výběžek na zadní straně proximálního konce běháku), tlustá stehenní kost (průměr střední části překonává 15% celkové délky) a z distálního pohledu (= pohledu od odlehlého konce kosti) silně vypouklý mediální okraj tibiotarzu. První z těchto znaků je dokonce v rámci všech tučňáků jedinečný. Mezi další potenciální sjednocující rysy patří dlouhá, úzká kost prsní a silně zploštělý pygostyl, zde však máme od většiny paleogénních tučňáků příliš málo materiálu na to, abychom mohli posoudit, zda jde skutečně o apomorfie. Všechny známé exempláře pocházejí z již zmiňovaného Kokoamu Greensand a pěkně znějící maorské jméno, které jim bylo uděleno, lze volně přeložit jako "potápěč vracející se s jídlem" (kai = jídlo, ruku = potápět se).

3.1 K. waitaki

    V rámci Kairuku lze dále rozeznat dva terminální taxony (= "druhy"): K. waitaki a K. grebneffi. Waitakiho lze diagnostikovat skrze jediný unikátní odvozený znak, a to širokou mezeru mezi příčnými výběžky prvního a druhého křížového obratle. Od grebneffiho, svého sesterského taxonu, může být dále rozlišen na základě dolů zahrnuté špičky horní části zobáku, patelly s hranatějším povrchem pro skloubení s kostí stehenní nebo mediolaterálně širšího, avšak nižšího hypotarzu. Jméno dostal podle stejnojmenné novozélandské řeky, nedaleko od níž také byly nalezen jeho holotyp a současně jediný známý exemplář, fosilie s katalogovým označením OU 12652. Ta je tvořena několika lebečními kostmi (včetně fragmentů horní i dolní části zobáku); krčními obratli (včetně nosiče); čtyřmi hřbetními obratli, téměř kompletním synsakrem a pěti volnými obratli ocasními; fragmenty ramenního pletence (včetně sezamoidní kůstky vzniklé zkostnatěním šlachy pro musculus scapulotriceps); téměř kompletním levým křídlem a několika fragmenty křídla pravého; neúplnými kyčelními kostmi; levými i pravými stehenními kostmi a tibiotarzy; pravým běhákem, levou lýtkovou kostí a několika články prstů na nohou.

    Co do detailů špičky zobáku se K. waitaki podobá žijícím tučňákům císařským a patagonským (Aptenodytes). Potenciálně cenným znakem může být úzký žlábek na boční straně zobáku splývající s nozdrami, který kromě waitakiho najdeme i u dalšího vymřelého tučňáka ikadypta a některých žijících zástupců trubkonosých a "veslonohých" (Clarke et al. 2007). Nápadných je také několik znaků, které jsou časté v tučňáčí kmenové linie, ale u žádného z žijících tučňáků už se nevyskytují: sem spadá otvor ve spodní čelisti těsně před laterálním kondylem (Ksepka & Bertelli 2006) nebo synsakrum, které na předním konci postrádá spodní hřeben nebo kýl. Ačkoli se u většiny tučňáčích fosilií synsakrum nedochovalo, Anthropornis nordenskjoeldii, který je v tomto ohledu světlou výjimkou, tuto strukturu postrádá také (Jadwiszczak & Mörs 2011) a autoři proto její absenci interpretují coby primitivní. Kost krkavčí je proporčně krátká: její délka je srovnatelná s žijícím tučňákem císařským, přestože K. waitaki jej zřejmě celkovými tělesnými rozměry výrazně přesahoval (viz níže). Podobný výskyt může mít i vejčitě tvarovaná ploška na spodní straně zadního konce karpometakarpu, která přiléhá k zápěstní kladce*, ale nesplývá s ní. Tento znak nebyl dosud u tučňáků zaznamenán a všichni žijící zástupci této skupiny jej postrádají. Není zcela jasné, k čemu sloužil, ale zdá se, že Pachydyptes ponderosus a "Palaeeudyptes" z Burnside mají cosi podobného taky; tam však tato ploška se zápěstní kladkou splývá. Chocholíkový hřeben (crista trochanteris; hřeben oddělující velký chocholík od hlavice stehenní kosti, který omezuje stupeň, do jakého může být femur odtažen od těla [Carpenter et al. 2005]) nese jizvičky vyznačující místa úponu různých svalů, které zasahují na těle stehenní kosti daleko dál distálně (tzn. směrem od pánve, k prstům na nohou), než je tomu u jakéhokoli žijícího tučňáka i většiny tučňáků vymřelých. Výjimkou je Palaeeudyptes marplesi, který se v tomto ohledu waitakimu nápadně podobá.

*Zápěstní kladka neboli trochlea carpalis je kloubní povrch na proximálním (tělu bližším) konci ptačího karpometakarpu, který je tvořen dvěma hřebínky oddělenými příčným žlábkem, což mu skutečně dodává vzhled nápadně podobný kladce. Takto tvarovaný zápěstní kloub umožňuje pohyb pouze v jediné ose a umožňuje složit křídla, ať už částečně (během letu) nebo zcela (např. při odpočinku na zemi). Díky tomu se jedná o jednu z klíčových inovací v teropodní evoluci (Sullivan et al. 2010), jejíž počátky lze ale zaznamenat už u allosaura.

    Velkou pozornost Ksepka et al. (2012) věnují běháku, který se z výše popsaných historických důvodů stal pro diagnózu fosilních tučňáků obzvlášť důležitým. Ten waitakiho je stejně dlouhý, ale podstatně širší než běhák tvořící holotyp taxonu Palaeeudyptes antarcticus, od nějž ho dále odlišuje splynutí laterálního a intermediálního hřebínku na hypotarzu. Kladka druhé nártní kosti (metatarzu) je v jednom rohu výrazně rozšířena do strany, stejně jako u zástupců kladu Waimanu, vůbec nejbazálnějších známých tučňáků vůbec. Protože však fylogenetická analýza odděluje klad Kairuku od waimanuů poměrně širokou mezerou, a jelikož sesterský taxon waitakiho (K. grebneffi) tento znak postrádá, zdá se, že jej oba vymřelí tučňáci vyvinuli nezávisle na sobě. Distálně od karpometakarpu už známe jen několik prstních článků, které se dobře shodují s tím, co známě od žijících tučňáků. Ksepka a spol. konstatují, že unguály jsou více podobné zakřiveným drápům malých tučňáků Spheniscus a Eudyptes než zploštělým elementům tučňáka císařského; pozorování žijících ptáků ale naznačují, že díky rohovinové pochvě mohou i podobně tvarované kosti znamenat velký rozdíl ve tvaru drápů.

Kosti lebky a ramenního pletence obou kairukuů. K. waitaki (OU 12652, holotyp): špička zobáku při pohledu seshora (A) a ze strany (B), pravá čtvercová kost zepředu (E), levá čtvercová kost zezadu (F), část spodní čelisti seshora (G) a ze strany spolu s přikloubenou čtvercovou kostí (H), pravá slzná kost ze strany (I), nosič zepředu (J), levá krkavčí kost seshora (N) a zespoda (O), trámec kosti prsní zespoda (U) a seshora (V), fragment prsní kosti zepředu (W). K. grebneffi (OU 22065, připsaný exemplář): špička zobáku seshora (C) a ze strany (D); pravá krkavčí kost z dolního (K), proximálního (L) a horního pohledu; (P) část lopatky; (Q) část furkuly; prsní kost zespoda (R), ze strany (S) a seshora (T). Pro význam zkratek viz původní studii. (Zdroj: Ksepka et al. 2012: Figure 2)

3.2 K. grebneffi

    Pro druhý podtaxon Kairuku autoři nabízejí pouze diferenční diagnózu – jinými slovy, nikoli seznam odvozených a/nebo jedinečných znaků, ale pouze seznam odlišností od jeho nejbližších příbuzných, v tomto případě tedy waitakiho. Tento seznam už byl vlastně uveden výše: znaky, které odlišují waitakiho od grebneffiho, lze samozřejmě použít i v opačném směru. (Srovnání s outgroup by ovšem tuto symetrii mohlo narušit: pokud by ukázalo, že znakový stav vykazovaný waitakim je odvozený a ten u grebneffiho primitivní, diferenční diagnóze to nevadí, ale striktně fylogenetický systematik by měl právo prohlásit, že validní je pouze rozeznávání waitakiho, nikoli grebneffiho.) Autoři dále zmiňují, že všechny grebneffiho kosti velikostí přesahují ty z waitakiho holotypu; kvůli malému počtu dostupných exemplářů a značné velikostní variaci, kterou vykazují žijící "druhy" tučňáků, se však zdržují rozsáhlejších závěrů. Pokud jde o jméno, odkazuje K. grebneffi na Andrewa Grebneffa, nedávno zesnulého paleontologa z novozélandské University of Otago.

    Na rozdíl od waitakiho známe tohoto tučňáka ze dvou exemplářů: kromě holotypu OU 22094, zahrnujícího několik obratlů a žeber, synsakrum, neúplný pygostyl, fragmenty obou ramenních pletenců, proximální část pravé přední končetiny, téměř úplné pánevní kosti a obě zadní končetiny kompletní od stehna až po běhák; byl k taxonu přiřazen ještě exemplář OU 22065, zahrnující i některé elementy nepřítomné u holotypu. Sem spadá špička zobáku, atlas a téměř kompletní prsní kost; také z končetin se dochovalo podstatně více materiálu. Především fragment zobáku je docela zajímavý: ač v příčném průřezu dost připomíná waitakiho, postrádá dolů zahnutou špičku a připomíná tak spíš jinou tučňáčí fosilii, ikadypta. Ksepka et al. (2012) si jsou poměrně jisti, že nejde o výsledek deformace, a rozdílný tvar zobáku přisuzují odlišným strategiím získávání potravy.

    Synsakrum grebneffiho zahrnuje minimálně 12 obratlů: element na zadním konci kosti může být buď 13. synsakrálním obratlem, nebo naopak prvním ocasním obratlem, který nebyl začleněn do pygostylu a fosilizační proces jej rozdrtil o zadní stranu synsakra. Pro srovnání, synsakrum tučňáků Waimanu (nejbazálnějších a nejstarších zástupců tohoto kladu) zahrnuje 11 až 12 obratlů, další zástupce tučňáčí kmenové linie Palaeospheniscus bergi jich má 12 a většina žijících taxonů disponuje 13 (Ksepka & Clarke 2010). Zdá se tedy, že během tučňáčí evoluce se synsakrum postupně prodlužovalo; nedávno nahlášených 14 křížových obratlů od gigantického taxonu Anthropornis nordenskjoeldii (Jadwiszczak & Mörs 2011) však ukazuje, že i evoluce tohoto znaku probíhala poněkud komplikovaněji. Hned několik odlišností oproti žijícím tučňákům najdeme v oblasti ocasu: příčné výběžky několika volných obratlů vklíněných mezi synsakrum a pygostyl jsou užší a více orientované do strany, grebneffiho pygostyl má zas vejčitý, nikoli trojúhelníkovitý průřez. Pleziomorfické rysy nese i skloubení mezi kostí loketní a vřetenní: ta první kontaktuje tu druhou ze zadní i spodní strany – stejnětomu je i u jiných vodních ptáků, ne však u žijících tučňáků. Poměry velikostí jednotlivých kostí v křídle se podobají ikadyptovi, jedinému dalšímu fosilnímu tučňákovi, od nějž známe kompletní křídlo. Jak Kairuku, tak Icadyptes mají karpometakarpus proporčně delší a prstní články zase kratší než žijící tučňáci, přičemž tyto rozdíly nelze připsat prosté alometrii. Tučňák nejmenší (Eudyptula minor) totiž v tomto ohledu připomíná fosilie více než tučňák císařský (Aptenodytes forsteri) z opačného konce velikostního spektra. Oproti tomu tvar kýlu na prsní kosti tučňáku císařskému (a také patagonskému; oba taxony tvoří klad Aptenodytes) docela dobře odpovídá. Intuitivně bychom právě podobnosti s tučňáky Aptenodytes očekávali nejvíce, jelikož podle fylogenetických analýz jde o nejbazálnější zástupce tučňáčího kounního kladu (Spheniscidae; viz níže).

    Jedním z nejpozoruhodnějších znaků patrných na grebneffiho kostře je nenápadná rýha pro tepnu na přední straně těla pažní kosti. Jak ukázali Thomas et al. (2011), jde o osteologický korelát humerální cévní pleteně, která slouží tučňákům jako protiproudový výměník tepla (Thomas & Fordyce 2007). Tyto systémy se nacházejí nejen v ploutvích, ale i v nohách a hlavě. Složeny jsou z tepny, vedoucí zahřátou krev ze srdce, obklopené sítí žilek vedoucích studenou krev z povrchu těla. Jak se proudy studené a teplé krve kříží, předává tepna žilám teplo, což snižuje množství energie, které musí pták na termoregulaci vydat. Vzhledem k tomu, že v dobách kairukuů už tučňáci žili ve vodním prostředí dobrých 30 milionů let, jedná se spíš než o velké překvapení o dobrou ukázku toho, co vše dovede dnešní paleontologie dovodit dokonce i z nijak výjimečného materiálu.

    Se započítáním těchto dvou nových taxonů se počet tučňáčích "druhů" ve vrstvách Kokoamu Greensand zvedl na 5. Z novozélandského pozdního oligocénu pak známe tučňáků rovných 10, což vzhledem ke krátkému trvání tohoto geologického období znamená velice slušnou diverzitu. Ta je plně srovnatelná s eocénní tučňáčí faunou z antarktického Seymourova ostrova a potvrzuje to, co už dlouho tušíme, a sice že v paleogénu byli tučňáci rozšířenější a rozmanitější, než je tomu dnes.

3.3 ...a zbytek

    Kromě výše uvedených exemplářů Ksepka et al. (2012) ve své práci stručně popisují i několik úlomkovitých fosilií, které sice lze spolehlivě přiřadit ke kladu Kairuku, ale už ne k waitakimu či grebneffimu. Patří sem např. OM GL427 (zobák, obratle, téměř kompletní křídlo, krkavčí kosti) a OM GL432 (krční obratle, jedna krkavčí kost, loketní kost, karpometakarpus), které byly dřívějšími autory řazeny buď do "odpadkového koše" v podobě P. antarcticus, nebo do podobně všeobsažné kategorie "Palaeeudyptes sp." Od té doby už ale bylo zaznamenáno, že oba jedinci se od všech ostatních paléeudyptů podstatně liší (Fordyce & Jones 1990), což potvrdila i numerická fylogenetická analýza (Clarke et al. 2007). Oba jedinci sdílí některé typické znaky s grebneffim; ty se však naneštěstí nacházejí na loketní kosti, která je u waitakiho nekompletní, takže nelze zcela vyloučit možnost, že jde o velké exempláře právě tohoto taxonu. I jejich rozměry více odpovídají grebneffimu, viz však výše citovanou poznámku o velikostním rozpětí pozorovaném u dnešních tučňáků. Posledním nejistým exemplářem je OU 22353, zastoupený špičkou zobáku, několika obratli (včetně ne zcela srostlého synsakra) a rozmanitou sbírkou kostí z obou pletenců i končetin. Mnoho rysů na kostře ukazuje na to, že pták nebyl v době své smrti zcela dospělý, což však nevysvětluje, proč většina jeho kostí stojí se svou velikostí kdesi uprostřed mezi waitakim a grebneffim. Žijící tučňáci císařští totiž dosahují plných tělesných rozměrů dlouho předtím, než dojde ke srůstu synsakra a dalších kostí.

4. Zvláštnosti obřích fosilních tučňáků

    Za "obří tučňáky" autoři neformálně označují takové fosilní taxony, které svými tělesnými rozměry výrazně překonávají žijícího tučňáka císařského (Ksepka et al. 2012:252). Tuto podmínku oba kairukuové evidentně splňovali (viz níže), velikost však není to jediné, čím jsou zajímaví. Vůbec poprvé je totiž u zástupců tučňáčí kmenové linie možné zhodnotit nejen anatomické detaily, ale i celkový tvar těla.

    Podle Ksepky a spol. bychom je od jejich žijících příbuzných okamžitě rozeznali. Byli štíhlejší, měli delší trup i přední končetiny, protáhlý zobák, ale naopak kratší a silnější nohy. Otázkou je, do jaké míry jde o primitivní znak a do jaké míry o pouhý důsledek alometrie (tedy změny proporcí při rostoucích tělesných rozměrech): Livezey (1989) skutečně předpověděl, že větší tučňáci budou mít ploutve delší. Zároveň jsou také patrné protáhlé krkavčí kosti, typický rys tučňáků, díky němuž tito ptáci získali přídavný prostor pro hypertrofovaný podklíčkový sval (m. supracoracoideus) zdvihající křídlo, který hraje zásadní úlohu v tučňáčím "podvodním letu". U všech tučňáků s výjimkou těch nejbazálnějších, waimanuů, je krkavčí kost delší než kost pažní. Kairukuové mají sice v poměru ke křídlu tuto kost o něco kratší než jejich žijící příbuzní, přesto je však stále silně prodloužená – a navíc disponovali o dost delší kost prsní, na níž se mohl podklíčkový sval upínat větší plochou, než je tomu u dnešních tučňáků. Ve výsledku se tak zdá, že vzhledem k tělesné hmotnosti byl podklíčkový sval kairukuů i žijících tučňáků zhruba stejně velký. Pygostyl kairukuů připomíná spíš trubkonosé než žijící tučňáky – ještě u nich nedošlo k přechodu od vertikálně zploštělého k trojúhelníkovitému průřezu, který snad souvisí se změnou funkce a rozložení ocasních per. Namísto toho, aby rýdováky žijících tučňáků vytvářely roztažitelný vějíř, který při vzdušném letu slouží jako kormidlo, formují tato pera tuhý, klínovitý ocas, který pomáhá podpírat tělo ptáka na souši (Giannini & Bertelli 2004).

    Autoři konstatují, že není jisté, zda je výše uvedený charakteristický tvar těla typický pro obří tučňáky, nebo jde naopak o zvláštnost kairukuů a snad i několika jejich blízkých příbuzných. To pomohou zodpovědět až kompletnější fosilie, které snad budou z pozdně oligocénských vrstev novozélandského Jižního Ostrova dříve či později vyzdviženy.

5. Jak obří byli obří tučňáci

Srovnání artikulované ploutve K. grebneffi s kostmi z ploutve žijícího novozélandského tučňáka žlutookého (Megadyptes antipodes). Pohled na pláž byl zřejmě v oligocénu poněkud působivější. (Zdroj: blogs.scientificamerican.com/observations, kredit: R. Ewan Fordyce)

    Asi nejvděčnější otázka, kterou lze o velkých vymřelích tučňácích položit, je o to zajímavější, že sám K. grebneffi je docela nadějným kandidátem na rekord.

    To, že někteří vymřelí tučňáci svými rozměry docela výrazně přesahovali největšího žijícího zástupce tohoto kladu, tučňáka císařského, je známo už od samého začátku. Už Huxley (1859) odhadl výšku tolik problematického P. antarcticus na 1,2 až 1,5 m a Hector (1872) se vydal do říše fantazie s odhadem výšky 1,8 až 2,1 m pro ještě větší taxon Pachydyptes ponderosus. Oliver (1930) tento přehnaný odhad zredukoval na 1,5 až 1,8 m; autory populárně-naučných textů však pochopitelně více zaujala Hectorova čísla. Simpson (1946) navíc ukázal, že přesnost odhadů založených na takto fragmentárních pozůstatcích je značně pochybná, neboť z různých kostí téhož exempláře lze odvodit několik podstatně odlišných hodnot. Se spolehlivějšími metodami přišli až Livezey (1989) – který neodhadoval výšku, ale pouze hmotnost, a pro největší fosilní tučňáky mu vyšlo 81 kg – a Jadwiszczak (2001), který určil výšku největšího z jím prozkoumaných taxonů (blíže neurčitelný zástupce kladu Anthropornis) na 1,54 až 1,62 m a jeho hmotnost na 90 kg. Pro vůbec největší, ale přímo neprozkoumané tučňáky navrhoval dokonce i 1,66 až 1,99 m, což nás oklikou vrací zase zpět k Hectorovi. Ksepka & Ando (2011) ale podotkli, že i tyto nové odhady jsou do určité míry přehnané, a nyní je spolu s kolektivem uvádějí na pravou míru.

    Především má smysl se ptát, co vlastně měříme. Jak podotkl Simpson (1975), většinou nás zajímá výška, které tučňák dosahuje, když stojí na zemi (nebo ledu); důležitější by ale mohla být délka těla při plavání, jelikož tučňáci tráví většinu života ve vodě. Obě hodnoty přitom nejsou stejné, jelikož při plavání tučňák natáhne zobák a prsty u nohou do jedné roviny s tělem, což nějaké ty centimetry přidá. Rozdíl mezi oběma hodnotami je také aspoň zčásti zodpovědný za to, že rozměry tučňáka císařského udávané v populárně-naučné literatuře oscilují mezi 1 a 1,5 metry (druhá hodnota je samozřejmě naprosto mimo). Hodnoty ze spolehlivých zdrojů, které Ksepka a spol. shrnují, ukazují na průměrnou délku 1,15 m a výšku 0,83 až 1,08 m. Tyto hodnoty kairukuové zcela spolehlivě přesahují, kupodivu ale ne až tak výrazně, jak se shodovaly předchozí studie. Dosud nevídaně kompletní postkraniální kostra totiž ukazuje, že proporce minimálně některých vymřelých tučňáků se radikálně lišily od těch dnešních (viz výše), takže odhady, které tento faktor nebraly v úvahu, zákonitě budou příliš vysoké. Obzvlášť nebezpečný je v tomto ohledu fakt, že čím větší tučňák, tím delší má v poměru ke zbytku těla ploutve.

    Rozměry kairukuů Ksepka s kolektivem odvozují z nejkompletnějšího a současně také největšího dochovaného exempláře, OU 22065. Berou v úvahu tukové polštářky na nohou a kloubní chrupavku, která je zodpovědná na to, že výška žijícího zvířete je větší než výška hromádky kostí naskládaných vhodným způsobem na podložce. V případě hlavy a krku jim nezbývá jiná možnost, než odhadnout výšku podle žijících tučňáků, všude jinde ale mohli využít dostupný kosterní materiál. Výsledkem je, že délka kairukuů ve vodě se blížila 1,5 m a výška na souši, kde mají tučňáci lehce zakřivený krk a tělo jemně skloněné dopředu, dosahovala 1,28 m. Jelikož jsou tučňáci z taxonu Kairuku mezi těmi největšími, které známe, považují Ksepka et al. (2012) všechny dříve publikované odhady vyšší než 1,5 m za přehnané. Autoři tyto hodnoty také srovnávají s pachydyptem, dosud široce uznávaným za největšího známého tučňáka všech dob. Jenže zatímco Kairuku jsou známi z velké části postkraniální kostry, Pachydyptes je zastoupen jen kostí pažní, krkavčí a karpometakarpem. Co do délky jsou všechny od těch kairukuových téměř nerozlišitelné, avšak výrazně robustnější. Krkavčí kost by ukazovala na zvíře ještě 1,15× větší, než byl Kairuku; zbylé dva elementy naopak naznačují, že nově popsaní tučňáci byli o něco větší. Autoři k těmto informacím přistupují se zdravou mírou skepticizmu; podotýkají však, že vzhledem k neobvykle protáhlému trupu a štíhlým ploutvím je možné, že Kairuku byli delší a Pachydyptes zase robustnější. Dan Ksepka to s použitím výborné fotografie přehledně vysvětluje i na svém blogu.

6. Fylogeneze

    Vedoucí autor popisované studie Dan Ksepka je mi neobyčejně sympatický svým kladným postojem k využívání molekulárních dat v paleontologii. Není důvod, proč bychom tento postoj neměli vídat častěji – fosilie mohou zlomit dlouhé větve, které v molekulárních analýzách vedou k málo rozmanitým skupinám bez blízkých příbuzných, a molekuly zase umožňují fosilie zařadit do realistického fylogenetického frameworku. (Příklad: Bourdon [2011] odhalila kostěnozubé ptáky [Pelagornithidae] v kmenové linii vrubozobých. Také odhalila parafyletické neognáty, což je evidentní nesmysl, odporující mnoha tuctům molekulárních studií. Jak moc lze pak důvěřovat prvnímu výsledku? Zahrnutí molekul by umožnilo takové otázky neřešit.) Přesto je taková kombinace různých typů dat k vidění jen málokdy, a když už ano, stojí za tím většinou Dan Ksepka, ať už jako spoluautor v loňské práci o fluvioviridavisovi, nynější práci o tučňácích, nebo studii o fosilních papoušcích, kterou na blogu také brzy zpracuji.

    Je navíc pěkné pozorovat, jak se kladogram tučňáků utěšeně rozrůstá a mizí z něj polytomie. Historii datasetu z Ksepkových studií začali Giannini & Bertelli (2004), kteří chtěli rozřešit příbuzenské vztahy mezi žijícími tučňáky pomocí 70 znaků týkajících se integumentu a reprodukční biologie. Bertelli & Giannini (2005) přidali 70 osteologických a 15 myologických znaků a krom dalších drobných rozšíření přidali i dvě kilobáze sekvencí z 2 mitochondriálních genů. Ksepka et al. (2006) téměř zdvojnásobili počet OTUs o téměř všechny tehdy známé validní taxony fosilních tučňáků a od té doby se matrice už poněkud pozvolněji rozrůstala do dnešního stavu: Ksepka (2007) přidal 25 znaků a 11 taxonů, Ksepka et al. (2012) dodávají 17 morfologických znaků a oba zástupce kladu Kairuku. Tímto ustavičným doplňováním vznikla "supermatrice" obsahující snad všechny možné typy dat, včetně více než 6 kilobází sekvencí z jaderné i mitochondriální DNA a 245 dalších znaků z osteologie, chování, měkkých tkání a integumentu. Nabízí se otázka, zda se tak rozmanitý data sampling vůbec hodí k určení fylogenetických vztahů mezi fosiliemi, které je možné kódovat jen na nepatrné procento z celkového množství znaků. Acosta Hospitaleche et al. (2007, 2008) skutečně vyřadili z matrice všechny znaky, které nemohly být od fosilií zjištěny, ale žádného lepšího rozlišení nedosáhli. Právě naopak: jak podotkli Ksepka & Clarke (2010), vynechání znaků vykazujících hodně chybějících dat přesnost analýzy akorát sníží.

    Co se taxon samplingu týče, zahrnuje matrice 58 tučňáků (všech 19 široce uznávaných žijících taxonů a všechny přijatelně kompletní tučňáky fosilní), 13 trubkonosých (Procellariiformes) a 2 potáplice (Gaviidae). Poslední dvě skupiny slouží jako outgroup k zakořenění tučňáčího stromu: sesterský vztah s potáplicemi (např. Olson 1985) nebo s trubkonosými (např. Simpson 1946) byl pro tučňáky navrhován zdaleka nejčastěji. Jedinou podstatnější hypotézu, kterou matrice není schopna otestovat, je ta o sesterském vztahu ke kladu Suliformes*, kterou potvrdilo několik molekulárních analýz (Fain & Houde 2004; Ericson 2012) a za níž statečně bojuje především Mayr (2009, 2011) – zřejmě k ní chová silný citový vztah od té doby, co mu vylezla z morfologické analýzy zahrnující fosilní plotopteridy (Mayr 2005). Nepovažuji to ale za velkou chybu: největší molekulární i morfologické studie se vzácně shodují na tom, že sesterskou skupinu tučňáků skutečně tvoří trubkonosí. Jedinou výtkou směrem k fylogenetické analýze Ksepky a spol. by tak snad mohla být použitá metoda, totiž parsimonie. Určitě by bylo příjemné vidět další analýzu z oblasti "model-based phylogenetics", která, zdá se, začala konečně pronikat i do pan-avianní paleontologie (viz zde, zde). Na druhou stranu se pro morfologická data parsimonie chová poměrně ukázněně (pomalejší evoluce odstraňuje problém saturace, větší počet znakových stavů snižuje riziko přitahování dlouhých větví) a fylogeneze žijících tučňáků, jediná oblast, kterou mohou ovlivnit molekuly, je vůči volbě kritéria optimality robustní (Ksepka & Ando 2011).

*Suliformes je nový "řád" vztyčený v reakci na to, že fylogenomika bývalé "veslonohé" a "brodivé" promíchala mezi sebou tak důkladně, že už je nemá smysl rozlišovat. Navrhla ho Americká ornitologická unie pro klad složený z fregatek, terejů, anhing a kormoránů; jde o mladší (avšak používanější) synonymum úděsně dlouhého jména Phalacrocoraciformes, které pro tentýž klad navrhli Christidis & Boles (2008).

(A) Konsenzový strom 684 nejúspornějších stromků z analýzy kombinující morfologická i molekulární data; (B) konsenzus 5470 nejúspornějších stromů založených pouze na morfologii. Fosilie jsou vyznačeny šedě. (Zdroj: Ksepka et al. 2012: Figure 8)

    Ksepka et al. (2012) analyzovali nejprve všechny non-molekulární znaky a teprve potom je propojili se sekvenčními daty do kompletního datasetu, aby zjistili, jak DNA ovlivní výsledky. Nepřekvapí, že topologie fosilních tučňáků, závisející výhradně na morfologických datech, byla v obou případech úplně stejná. V případě žijících tučňáků však bývalo zvykem, že ačkoli se morfologie a molekuly dobře shodly na tvaru nezakořeněného stromu, pozici kořene kladl každý zdroj dat jinam (Ksepka & Ando 2011). Morfologie vyhazovala jako sesterskou skupinu všech ostatních tučňáků klad Eudyptula + Spheniscus, čili tučňáka nejmenšího a jeho příbuzné (např. Giannini & Bertelli 2004; Acosta Hospitaleche et al. 2007); molekuly zase kořen umisťovaly mezi tučňáky císařské a patagonské (Aptenodytes) a všechny ostatní (Baker et al. 2006). Total-evidence analýzy jednoznačně favorizovaly molekulární hypotézu (Bertelli & Giannini 2005; Ksepka et al. 2006; Ksepka & Clarke 2010).

    Nyní už to tak jednoduché není. Zařazení dalších morfologických znaků, které provedli Ksepka et al. (2012), zhoršilo rozlišení čistě morfologického stromu natolik, že už nelze rozhodnout, zda jsou nejbazálnější tučňáci ze skupin Aptenodytes, Pygoscelis, (Eudyptula + Spheniscus) či (Megadyptes + Eudyptes). Zvláštní ale je, že jednoznačný výsledek tentokrát neposkytlo ani přidání molekul: i pak stojí v polytomii Aptenodytes, Pygoscelis a všichni ostatní tučňáci. Kairukuů se ale tato nejistota nedotkla. Analýza podporuje monofylii skupiny složené z waitakiho a grebneffiho a vylučující všechny ostatní tučňáky. (Je jen škoda, že autoři neotestovali i monofylii grebneffiho tím, že by exempláře OU 22094 a OU 22065 nakódovali do datové matrice každého zvlášť.) Ukazuje dále, že kairukuové byli o jeden uzel na kladogramu bazálnější než soudobí tučňáci Duntroonornis a Archaeospheniscus, což podporuje například skutečnost, že si stále uchovali primitivní znak v podobě těla pažní kosti, které se distálním směrem zužuje nebo zachovává konstantní šířku.

7. Revize P. antarcticus

    Analýza současně ukázala, že vyřazení kairukuů z taxonomického koše v podobě P. antarcticus bylo nutností, protože oba nově pojmenované taxony mají fylogeneticky blíž k žijícím tučňákům než k antarktikově holotypu. Přesto problém pořád není vyřešen: ačkoli máme hned několik terminálních taxonů nesoucích jméno Palaeeudyptes, zjistit, zda všechny tvoří monofyletickou skupinu, není možné. Holotyp P. antarcticus je totiž možné kódovat na tak malý zlomek z celkového počtu kolonek v datové matrici, že se chová jako "wildcard taxon" generující velké množství stejně úsporných stromů, což na konsenzovém stromě nutně vytváří polytomie. Z těch není možné vyčíst, zda k sobě různí paléeudyptové skutečně mají navzájem blíž, než má kterýkoli z nich k inkajakuovi, ikadyptovi, pachydyptovi či skupině (Kairuku + žijící tučňáci). Ksepka et al. (2012) však ukazují, že existuje několik rysů, které tuto hypotézu podporují. Pro taxon Palaeuudyptes by mohla být diagnostická jejich kombinace; naneštěstí však od žádného z jeho zástupců nemůžeme ověřit přítomnost všech současně.

    Hlavním důvodem, proč by P. antarcticus měl být roztrhán na kusy, je zmatek, který jeho mimořádně široký rozsah způsobil v biogeografii. Ačkoli se výskyt jedinců prokazatelně náležejících k tomuto taxonu omezuje na Nový Zéland, někteří autoři pod tímto označením popsali i kosti z Austrálie a Antarktidy. Zvláště v druhém případě šlo o docela obdivuhodný výkon: ač holotyp P. antarcticus tvoří výhradně tarzometatarzus, autor k němu dokázal připsat izolovanou pažní kost. Co mu na ní připomínalo novozélandský běhák, těžko říct; eocénní tučňák s kosmopolitním či alespoň cirkumpolárním výskytem by ale dokázal změnit náš pohled na celou tučňáčí evoluci. Škoda, že o žádném takovém nevíme.

Zdroje:

• http://en.wikipedia.org/wiki/...Countercurrent_exchange_of_heat_in_organisms
• http://fossilpenguins.wordpress.com/.../record-breaking-penguins-the-tallest-penguin...
• Acosta Hospitaleche C, Castro L, Tambussi C, Scasso RA 2008 Palaeospheniscus patagonicus (Aves, Sphenisciformes): new discoveries from the early Miocene of Argentina. J Paleont 82(3): 565–75
• Acosta Hospitaleche C, Tambussi C, Donato M, Cozzuol M 2007 A new Miocene penguin from Patagonia and its phylogenetic relationships. Acta Palaeont Pol 52(2): 299–314
• Ando T 2007 New Zealand fossil penguins: origin, pattern, and process. PhD dissertation, Univ of Otago, Dunedin, New Zealand. 364 p
• Baker AJ, Pereira SL, Haddrath OP, Edge K-A 2006 Multiple gene evidence for expansion of extant penguins out of Antarctica due to global cooling. Proc R Soc B 273(1582): 11–7
• Bertelli S, Giannini NP 2005 A phylogeny of extant penguins (Aves: Sphenisciformes) combining morphology and mitochondrial sequences. Cladistics 21: 209–39
• Bourdon E 2011 The Pseudo-toothed Birds (Aves, Odontopterygiformes) and their bearing on the early evolution of modern birds. 209–34 in Dyke GJ, Kaiser G, eds. Living Dinosaurs: The Evolutionary History of Modern Birds. London: John Wiley & Sons, Ltd.
• Brodkorb P 1963 Catalogue of fossil birds. Part 1 (Archaeopterygiformes through Ardeiformes). Bull Florida St Mus Biol Sci 7: 179–293
• Carpenter K, Miles C, Cloward K 2005 New small theropod from the Upper Jurassic Morrison Formation of Wyoming. 23–48 in Carpenter K, ed. The carnivorous dinosaurs. Bloomington and Indianapolis: Indiana Univ Press
• Clarke JA, Ksepka DT, Stucchi M, Urbina M, Giannini N, Bertelli S, Narváez Y, Boyd CA 2007 Paleogene equatorial penguins challenge the proposed relationship between biogeography, diversity, and Cenozoic climate change. Proc Natl Acad Sci USA 104: 11545–50
• Christidis L, Boles WE 2008 Systematics and Taxonomy of Australian Birds. Collingwood: CISRO
• Ericson PGP 2012 Evolution of terrestrial birds in three continents: biogeography and parallel radiations. J Biogeogr 39(5): 813–24
• Fain MG, Houde P 2004 Parallel radiations in the primary clades of birds. Evolution 58(11): 2558–73
• Fordyce RE, Jones CM 1990 Penguin history and new fossil material from New Zealand. 419–46 in Davis LS, Darby JT, eds. Penguin Biology. San Diego: Acad Press
• Giannini NP, Bertelli S 2004 Phylogeny of extant penguins based on integumentary and breeding characters. Auk 121(2): 422–34
• Hector J 1872 Further notice of bones of a fossil penguin (Palaeeudyptes antarcticus, Huxley). Trans Proc R Soc New Zealand 5: 438–9
• Huxley TH 1859 On a fossil bird and a cetacean from New Zealand. Quart J Geol Soc London 15: 670–7
• Jadwiszczak P 2001 Body size of Eocene Antarctic penguins. Polish Polar Research 22(2): 147–58
• Jadwiszczak P, Mörs T 2011 Aspects of diversity in early Antarctic penguins. Acta Palaeont Pol 56(2): 269–77
• Kinsky FC 1960 The yearly cycle of the northern blue penguin (Eudyptula minor novaehollandiae) in the Wellington harbour area. Dom Mus Rec Zool 3: 145–218
• Ksepka DT 2007 Phylogeny, histology and functional morphology of fossil penguins (Aves: Sphenisciformes). PhD dissertation, Columbia Univ
• Ksepka DT, Ando T 2011 Penguins past, present and future: trends in the evolution of the Sphenisciformes. 155–86 in Dyke GJ, Kaiser G, eds. Living Dinosaurs: The Evolutionary History of Modern Birds. London: John Wiley & Sons, Ltd.
• Ksepka DT, Bertelli S 2006 Fossil penguin (Aves: Sphenisciformes) cranial material from the Eocene of Seymour Island (Antarctica). Hist Biol 18: 389–95
• Ksepka DT, Bertelli S, Giannini NP 2006 The phylogeny of the living and fossil Sphenisciformes (penguins). Cladistics 22: 412–41
• Ksepka DT, Clarke JA 2010 The basal penguin (Aves: Sphenisciformes) Perudyptes devriesi and a phylogenetic evaluation of the penguin fossil record. Bull Am Mus Nat Hist 337: 1–77
• Ksepka DT, Fordyce RE, Ando T, Jones CM 2012 New fossil penguins (Aves, Sphenisciformes) from the Oligocene of New Zealand reveal the skeletal plan of stem penguins. J Vert Paleont 32(2): 235–54
• Livezey BC 1989 Morphometric patterns in Recent and fossil penguins (Aves, Sphenisciformes). J Zool 219(2): 269–307
• Marples BJ 1952 Early Tertiary penguins of New Zealand. New Zealand Geol Surv, Paleont Bull 20: 1–66
• Mayr G 2005 Tertiary plotopterids (Aves, Plotopteridae) and a novel hypothesis on the phylogenetic relationships of penguins (Spheniscidae). J Zool Syst Evol Res 43(1): 61–71
• Mayr G 2009 Paleogene Fossil Birds. Heidelberg: Springer
• Mayr G 2011 Metaves, Mirandornithes, Strisores and other novelties – a critical review of the higher-level phylogeny of neornithine birds. J Zool Syst Evol Res 49(1): 58–76
• Oliver WRB 1930 New Zealand birds. Wellington (N.Z.): Fine Arts. 541 p
• Olson SL 1985 The fossil record of birds. 79–238 in Farner DS, King JR, Parkes KC, eds. Avian Biology, Vol. 8. NewYork: Acad Press
• Simpson GG 1946 Fossil penguins. Bull Am Mus Nat Hist 87: 1–100
• Simpson GG 1971 A review of the pre-Pliocene penguins of New Zealand. Bull Am Mus Nat Hist 144: 319–78
• Simpson GG 1975 Fossil penguins. 19–41 in Stonehouse B, ed. The Biology of Penguins. London: Macmillan
• Sullivan C, Hone DWE, Xu X, Zhang F-C 2010 The asymmetry of the carpal joint and the evolution of wing folding in maniraptoran theropod dinosaurs. Proc R Soc B 277(1690): 2027–33
• Thomas DB, Fordyce RE 2007 The heterothermic loophole exploited by penguins. Aust J Zool 55: 317–21
• Thomas DB, Ksepka DT, Fordyce RE 2011 Penguin heat-retention structures evolved in a greenhouse Earth. Biol Lett 7(3): 461–4