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[LMDP] LMDP - Lake Malawi Drilling Project

Description

Adaptive Radiation gilt als evolutionärer Prozess, der für die Entstehung eines Großteils der biologischen Vielfalt verantwortlich ist. Dieser Prozess läuft über verschiedene zeitliche und geografische Skalen und hängt stark von der natürlichen Selektion, stochastischen Ereignissen und Zufällen ab. Radiationen sind ein häufiges Phänomen in insularen Lebensräumen, wie die Darwinfinken auf den Galapagos-Inseln, die Anolis-Eidechsen auf den Karibischen Inseln oder die Buntbarsche in den ostafrikanischen Riftseen zeigen. Während die letztgenannten Systeme Radiationen in vielen anderen Gruppen aquatischer Organismen beherbergen, wurden die Mechanismen und Ursachen von Radiation weitgehend anhand der Buntbarsche untersucht. Trotz großer Erfolge bei der Entschlüsselung der Dynamik von Radiationen bei Buntbarschen wissen wir immer noch sehr wenig über den Beitrag abiotischer und biotischer Faktoren zu diesem Prozess in dieser Gruppe sowie in anderen ikonischen Beispielen adaptiver Radiationen, was vor allem auf den Mangel an Fossilien zurückzuführen ist. Daher untersuchen wir in diesem Projekt, das ursprünglich für drei Jahre beantragt, dann aber vorerst auf zwei Jahre gefördert wurde,  adaptive Radiationen in verschiedenen und fossilreichen Gruppen aquatischer Diatomeen in den ostafrikanischen Riftseen, im Speziellen in den Gattungen Diploneis und Afrocymbella. Wir verwenden dazu einen integrativen Ansatz, der molekulare Phylogenetik mit  paläontologischen und paläoökologischen Daten aus drei ICDP-Projekten kombiniert, um eine Schlüsselfrage der Evolutionsbiologie zu beantworten: Ist die Umwelt der Auslöser für gleichzeitige adaptive Radiationen in verschiedenen Taxa?

Bisher konnten wir durch die Kombination von Fossilien mit zeitlich kalibrierten molekularen Phylogenien nachweisen, dass sich die beiden Kieselalgengruppen innerhalb des Rifts in relativ kurzer Zeit entwickelt haben. Damit ist eines der Kriterien für den Nachweis einer adaptiven Radiation erfüllt; ausserdem wurden somit frühere Erkenntnisse über die Geschichte der Seen bestätigt, und unsere Daten sind im Einklang mit dem Alter der Buntbarsch-Radiationen. Nachdem wir die zeitaufwändigsten Teile des Projekts abgeschlossen haben, werden wir nun den phylogenetischen Rahmen nutzen, um Art und Tempo der Diversifizierung und der Evolution von Merkmalen abzuleiten und deren Verlauf mit paläoökologischen Variablen zu korrelieren (z. B. glazial-interglaziale Zyklen, Monsunaktivitäten und Megadürren), um mögliche  Umwelteinflüsse auf die adaptive Radiation zu untersuchen. Die integrative Analyse genetischer, morphologischer, paläontologischer und paläoökologischer Daten ermöglicht es uns nicht nur, parallele adaptiver Radiationen in verschiedenen Organismen zu identifizieren, sondern auch die Prozesse, die den Verlauf von Radiationen bestimmen, besser zu beurteilen. Es zeigt sich bereits, dass das Phänomen der adaptive Radiation bei Kieselalgen weiter verbreitet sein könnte als bisher angenommen.

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Adaptive radiation is commonly considered as a primary process for generating much of the Earth’s biodiversity. This process operates over
different temporal and geographical scales, strongly depending on natural selection, stochastic events, and historical contingencies.  Radiations are a common evolutionary phenomenon in insular habitats, as exemplified by Darwin's finches on the Galapagos Islands, anole lizards on the islands of the Caribbean, and cichlid fishes in the East African Rift lakes. While the latter systems house radiations in many other groups of aquatic organisms, the mechanisms and causes of adaptive radiation have largely been examined in the cichlids. Despite great success in unraveling the dynamics and drivers of cichlid adaptive radiations, we still know very little about the contribution of abiotic and biotic factors to this process in this group as well as in the iconic examples of adaptive radiation, which is largely due to the lack of fossils. Therefore, in this project, originally requested for three years but then funded for two, we investigate adaptive radiation in diverse and fossil-rich groups of aquatic diatoms in the East African Rift lakes, the genera Diploneis and Afrocymbella. We use an integrative approach that combines molecular phylogenetics with paleontological and paleoenvironmental data from three ICDP projects to address a key question in evolutionary biology: Does the environment trigger simultaneous adaptive radiations across taxa?

So far, we have been able to combine fossils and densely sampled time-calibrated molecular phylogenies to demonstrate that the two diatom groups have evolved in situ within the Rift from a common ancestor in a relatively short time. This fulfilled one of the criteria for demonstrating adaptive radiation, and also confirms previous findings on the history of lakes, and is compatible with the age of the cichlid adaptive radiations. Having completed the most time-consuming parts of the project, we will now use the phylogenetic framework in the eventual third year to infer mode and tempo of diversification and trait evolution and correlate their trajectories with paleoenvironmental variables (e.g., glacial-interglacial cycles, monsoon activities, and megadroughts) to determine potential environmental influences on adaptive radiation. The integrative analysis of genetic, morphological, paleontological, and paleoecological data will allow us not only to identify the potential of parallel adaptive radiations in different organisms, but also to more robustly assess the processes that shape the
progression of adaptive radiation. In addition, we have shown that adaptive radiation in diatoms may be more prevalent than previously thought, supporting the general view that this process is a major contributor to the Earth’s biodiversity.