Vr oknda mngfald: Den vetenskapliga utmaningen

1
Vår okända mångfaldDen vetenskapliga utmaningen

• Fredrik Ronquist
• School of Computational Science
• Florida State University och
• Evolutionsbiologiskt centrum
• Uppsala universitet

2
Livets träd
3
De stora förgreningarna
4
GenBank tillväxt 1982-2004
Baspar (miljarder)
Sekvenser (miljoner)
5
PCR-maskin
DNA-sekvenator
6
Assembling the Tree of Life (ATOL)
Ca 30 stora projekt (2-3 M). Exempel

• Steklar 6 gener och 500 morfologiska karaktärer
  studeras för tusentals arter
• Spindlar 50 genetiska markörer, stor
  morfologisk bilddatabas
• Groddjur släktskapsträd över alla 5 700 arter
  3D rekonstruktion av inre anatomi
• Svampar 6 gener sekvenseras för 1 500 arter
• Ormar och ödlor 25 000 baspar sekvenseras för
  150 arter
• Leddjur framtagning av 40 nukleära
  proteinkodande markörer för analys av släktskap
  mellan högre grupper

7

• Cyber Infrastructure for Phylogenetic RESearch
• Samarbete mellan 11 institutioner totalt 11 M
  över fem år
• Effektiva algoritmer för stora släktskapsanalyser
  (tusentals taxa)
• Superdator för släktskapsanalyser
• Databaser för lagring av karaktärs-matriser och
  analysresultat
• Simulering av evolution
• Utåtriktad verksamhet

8
Långa grenar attraherar varandra
A
B
C
D
tid
Sant träd
Rekonstruerat träd
9
Ju mer data vi har, desto säkrare ger en dålig
(inkonsistent) metod fel resultat
Konsistent metod
Sannolikhet för rätt träd
Inkonsistent metod
Antal karaktärer
10
Bättre beräkningsmetoder

• Statistiska metoder (Maximum likelihood och Bayes
  inferens) som bygger på stokastiska modeller av
  evolutionen
• Mer realistiska modeller av den molekylär
  evolution
• Bättre beräkningsmetoder (Bayesiansk inferens och
  MCMC)

11
Tredimensionell veckning av influensavirusets
hemagglutinin. Rödfärgade delar undergår
turbodriven evolution här identifierade med
hjälp av släktskapsanalyser.
12
Att beskriva bladen (arterna) i livets träd
13
Om vi på ett ungefär uppskattar växterna till 10
000, maskarna till 2 000, insekterna till 10 000,
amfibierna till 300, fiskarna till 2 000 och
fyrfotingarna till 200 så finns det alltså i
världen 26 500 arter av levande varelser. Vårt
eget land har knappt 3 600 av dessa, av inhemska
örter finns det omkring 1 300, och 2 300
djurarter finns här så vitt vi vet. Ur Carl
von Linné, Oeconomia Naturae, 1749
14
Arter i världen
15
Livets träd
Gröna blad är beskrivna arter, vita är obeskrivna
Vår kunskap om arterna är begränsad och berör ett
fåtal grupper
16
Artkunskapen behövs

• Bevara arterna för framtiden
• Öka förståelsen för mångfalden
• Utnyttja mångfalden som råvaror (medicin, mat,
  mm)
• Övervaka utvecklingen av vår livsmiljö
• Öka chanserna att människan överlever på lång
  sikt

17
Promote efforts to complete a rapid inventory of
the planets biota, including Species 2000 and
the Global Biodiversity Information Facility
(GBIF), to provide these foundational data in 20
years rather than 600 years, at present rates of
activity
Topp-prioriterad rekommendation från
expertpanelen, National Academy of Sciences
Colloquium The future of evolution, mars 2000
18
Takten måste ökas
10 miljoner arter
1,7 miljoner arter
1750
2000
19
Svenska artprojektet

• Samarbete mellan svenska naturhistoriska museer
  och universitet, koordinerat av Artdatabanken
• Alla svenska arter ska beskrivas och dokumenteras
  i den vetenskapliga litteraturen
• Alla arter som kan identifieras utan avancerade
  hjälpmedel (ca 35 000) skall presenteras
  populärvetenskapligt i Nationalnyckeln till
  Sveriges flora och fauna
• Bestämningsnycklar skall presenteras till alla
  arterna, liksom uppgifter om utbredning, biologi
  och bevarande. Verket skall vara välillustrerat
• Arbetet skall vara slutfört inom 20 år
• Den första heltäckande landsinventeringen

20
Assembling the Tree of Life (ATOL)
Stora projekt (2-3 M, fem år). 4 i första omg

• Ängsstinkflyn (Heteroptera, Miridae)
  koordineras av Toby Schuh, American Museum of
  Natural History, NY
• Slemsvampar Frederick Spiegel, University of
  Arkansas
• Malar (siluriformes) (3600-4500 arter i världen)
  koordineras av Lawrence Page, University of
  Florida
• Släktet Solanum (1500 arter i världen)
  koordineras av Lynn Bohs, University of Utah

21
Biodiversitetsinformatik

• Informationsteknologiska lösningar som
  underlättar kartläggningen av jordens mångfald
• Ett snabbt växande interdisciplinärt fält
• Databasdesign, informationssökning,
  nätverksteknologi är centrala liksom taxonomi och
  systematik
• Exempel samlingsdatabaser, artportaler,
  bildbanker, taxonomiska webtjänster

22

• Uppskattnings finns 2-3 miljarder exemplar i
  världens naturhistoriska samlingar
• Data för 77 miljonerav dessa finns nuåtkomliga
  via GBIF-portalen och databas-syndikering

Roskarl utbredning
23
MorphBank

• Ett öppet webarkiv för bilder som dokumenterar
  jämförande anatomiska studier, morfologiska
  släktskapsanalyser, och nya artbeskrivningar
• Startades 1997 av ett svenskt-spanskt-amerikanskt
  konsortium av systematiska entomologer
• Bör inte förväxlas med MorphoBank-projektet
• Webadress www.morphbank.net
• Innehåller f n ca 300 000 bilder varav ca 40 000
  är öppet tillgängliga
• Fungerar huvudsakligen som ett sökbart bildarkiv
  med kopplingar till bland annat GenBank

24
(No Transcript)
25
(No Transcript)
26
(No Transcript)
27
(No Transcript)
28
(No Transcript)
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
(No Transcript)
37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39
(No Transcript)
40
Länkar till sekvenser i GenBank (eller
till samlingsdatabaser)
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
Några pågående aktiviteter

• Validering av taxonomiska namn
• Knyta anteckningar till bilder (till exempel om
  karaktärer och karaktärstillstånd som används för
  släktskapsanalys)
• Bildbaserad bläddring
• Bildbaserad sökning

44
Taxonomiska namn
ITIS (kopia)
MorphBank
ITIS
Temporära nya namn
45
(No Transcript)
46
Anteckningar

• En bild eller ett textfält kan ha ett obegränsat
  antal anteckningar
• En bildanteckning kan gälla hela bilden eller en
  speciell del av bilden, vilken kan utmärkas med
  en cirkel, en punkt eller liknande
• Anteckningar skall kunna fånga olika forskares
  stridande åsikter
• Användare kan se och ladda ner bilder med eller
  utan anteckningar
• Användare kan söka information i
  bildanteckningarna och anteckningarna kan
  automatiskt behandlas och användas för att
  producera morfologiska karaktärsmatriser eller
  beskrivningar av arter

47
Phylogenetic character state annotation
Character list
Liljeblad and Ronquist (1998)
Character
1. Shape of ventral part of clypeus
1. Not projecting from cranial margin or only
slightly projecting medially
Character state
48
Konstruera en karaktärsmatris
Taxa
Aylax Barbotinia Ceroptres Cynips Diastrophus Dipl
olepis Ibalia Parnips Periclistus Synergus Synophr
omorpha Xestophanes
Resolve conflicts
polymorphism
most recent
most experienced
most trusted
ancestral state (MPR)
49
Traditionell bestämningsnyckel
50
Bildbaserad bläddring

• Idag producerar forskare nycklar för att hjälpa
  andra forskare och amatörer att identifiera arter
• Nycklarna tar lång tid att producera och måste
  uppdateras varje gång en ny art beskrivs
• De flesta människor föredrar att bläddra bland
  bilder framför att gå i nycklar
• Bildbanker som MorphBank kan använda avancerade
  bildanalystekniker för att producera
  morfologiska landskap som användaren kan
  bläddra sig fram igenom
• Det morfologiska landskapet uppdateras
  automatiskt när nya arter beskrivs inga nycklar
  behövs

51
?
52
(No Transcript)
53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
Bildbaserad sökning
2
1
MorphBank
3
4
56
Carl von Linné grunnar vidare på mångfalden av
arter
57
Vi människor ... kan och skall inte röras
djupare än av att fromt betrakta alla dessa
underbara verk. Om vi med större omsorg och
uppmärksamhet förfinar våra sinnen genom idkandet
av dessa vetenskaper skulle vi, förutom de
nyttigheter som därav bleve följden, upptäcka att
naturens hushållning är långt mer storslagen än
vi dittills trott, och denna upptäckt skulle
sporra oss till ännu djupare förundran. Ur
Carl von Linné, Oeconomia Naturae, 1749