On the value of systematics for the study of evolution

Scherz, Mark D. (2019): On the value of systematics for the study of evolution: insights from the reptiles and amphibians of Madagascar. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Background Systematics, divided into the two subfields of taxonomy and phylogeny, is a field concerned with deducing evolutionary relationships among branches of the tree of life. Species form the substrate of systematics that is drawn upon by almost all other biological fields, from conservation policy to community ecology to evolutionary biology. We have so far named nearly 2 million eukaryotes. Yet, there may be as many as 100 million species on Earth, and our current rate of description is just 20,000 new species and subspecies per year. Thus, a vast amount of taxonomic work remains to be done. Systematic research helps us to complete this inventory, while at the same time shedding light on numerous other aspects of biology. In this thesis, I focus on the systematics of reptiles and amphibians in Madagascar, an island model for continent-scale evolutionary dynamics. I revise the taxonomy of several different groups, and in doing so, reveal facets of their evolution, ecology, and conservation. I also demonstrate that narrow-scope taxonomic works can be harvested as data sources to address broad-scope research questions, for example in the realm of macroevolution. Results The studies presented here are divided into four sections encompassing eleven chapters: In section 1, I present a paper (chapter 1) in which my colleagues and I describe two new species of frogs of the genus Mantidactylus and discuss their conservation; I demonstrate the important link between taxonomy and conservation, and the way in which conservation policy is currently not taking full advantage of taxonomic knowledge or highlighting gaps in that knowledge. In section 2, I present four papers (chapters 2–5), in which my colleagues and I describe five new species of frogs of the genus Gephyromantis and discuss in particular their biogeographic relationships; I show that examining the patterns in the different subgenera concerned points toward general patterns, giving us insights on the biogeographic history of northern of Madagascar. In the discussion I provide comparative examples from other taxa distributed in the same area and show that patterns hold across amphibians and reptiles, but apparently not small mammals. In section 3, I present five chapters (chapters 6–10), three of which are taxonomic and two of which are more phylogenetic in focus, together resulting in nine new species and two new genera of microhylid frogs of the subfamily Cophylinae; I illustrate how taxonomy can take advantage of new technological advantages to resolve taxonomically challenging cases, and provide insights into the ecomorphological evolution of these frogs. In section 4, I present a paper (chapter 11) in which my colleagues and I use a dataset generated from taxonomic literature in a comparative phylogenetic framework to analyse the evolution of sexual ornamentation across chameleons. I show that the difference in sexual selection acting on genital and external morphological ornamentation results in their evolutionary uncoupling. Conclusions In this thesis, I describe 16 new species and two new genera of frogs from Madagascar and provide new data on their phylogeny and evolution. I also demonstrate that the existing taxonomic literature on chameleons can become a source of data for studies to addressing questions about their evolution in more detail. Taxonomic progress on the herpetofauna of Madagascar is proceeding apace, and as we are approaching a completion of the island’s biodiversity inventory, we are gaining valuable insights into the relationships among its fauna, their ecology, evolution, and origins, while also learning about which species need to be protected and how best to do so. Completion of this picture will have broad implications, as the evolutionary Petri dish that is Madagascar can be scaled up to understand patterns governing the generation and perpetuation of biodiversity at a continental scale.

Abstract

Hintergrund Die Systematik, unterteilt in die beiden Teilbereiche Taxonomie und Phylogenie, befasst sich mit der Ableitung evolutionärer Verwandschaftsbeziehungen. Arten bilden die Basis der Systematik, auf der fast alle anderen biologischen Bereiche aufbauen – von der Naturschutzpolitik über die Ökologie bis hin zur Evolutionsbiologie. Bisher wurden fast 2 Millionen Eukaryoten benannt. Schätzungen zur Gesamtzahl sprechen von bis zu 100 Millionen Arten auf der Erde; unsere derzeitige Beschreibungsrate hingegen beträgt nur etwa 20.000 neue Arten und Unterarten pro Jahr. Es bleibt also noch viel zu tun im taxonomischen Bereich. Systematik hilft uns dabei, die Inventarisierung der Biodiversität voranzutreiben und gleichzeitig zahlreiche andere Aspekte der Biologie zu beleuchten. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Systematik der Reptilien und Amphibien von Madagaskar, einem Inselmodell für die evolutionäre Dynamik auf kontinentaler Ebene. Ich überarbeite die Taxonomie verschiedener Gruppen und lege dabei Facetten ihrer Entwicklung, ihrer Ökologie und ihrer Erhaltung dar. Ich zeige auch, dass eng begrenzte taxonomische Arbeiten als Datenquellen für breiter angelegte Forschungsfragen genutzt werden können, beispielsweise im Bereich der Makroevolution. Ergebnisse Die hier vorgestellten Studien sind in vier Abschnitte unterteilt, die insgesamt elf Kapitel umfassen: In Abschnitt 1 stelle ich eine Arbeit (Kapitel 1) vor, in der zwei neue Froscharten der Gattung Mantidactylus beschreiben werden und deren Erhaltung besprochen wird. Es wird gezeigt, dass die Verbindung zwischen Taxonomie und Naturschutz äußerst wichtig ist, und dass die Naturschutzpolitik derzeit das taxonomische Wissen nicht vollständig ausschöpft. In Abschnitt 2 stelle ich vier Artikel (Kapitel 2–5) vor, in denen fünf neue Froscharten der Gattung Gephyromantis beschrieben werden und insbesondere ihre biogeographischen Beziehungen diskutiert wird. Es wird deutlich, dass die Untersuchung der Muster in den verschiedenen betroffenen Untergattungen auf allgemeine Muster hinweist und Einblicke in die biogeographische Geschichte des Nordens von Madagaskar ermöglicht. In der Diskussion zeigen Vergleichsbeispiele aus anderen Tiergruppen, die in demselben Gebiet verteilt sind, dass diese Muster bei Amphibien und Reptilien deutlicher sind als bei Säugetieren. In Abschnitt 3 stelle ich fünf Kapitel vor (Kapitel 6–10), von denen drei taxonomisch und zwei phylogenetisch sind und zusammen neun neue Arten und zwei neue Gattungen von Engmaulfröschen der Unterfamilie Cophylinae ergeben. Es wird erläutert, wie die Taxonomie neue technologische Vorteile nutzen kann, um taxonomisch herausfordernde Fälle zu lösen, und Einblicke in der Evolutionsgeschichte dieser Frösche zu gewinnen. In Abschnitt 4 stelle ich eine Arbeit vor (Kapitel 11), in der einen aus taxonomischer Literatur erstellten Datensatz in einem vergleichenden phylogenetischen Rahmen verwendet wird, um die Entwicklung der sexuellen Ornamentierung zwischen Chamäleonarten zu analysieren und zu zeigen, dass die genitalen und äußeren morphologischen Ornamente wegen verschiedene Auswirkungen der sexuelle Selektion entkoppelt evolvieren. Schlussfolgerungen In dieser Arbeit werden 16 neue Arten und zwei neue Froschgattungen aus Madagaskar beschrieben, zusammen mit neuen Daten zu ihrer Phylogenie und Evolution. Es wird auch gezeigt, dass die bereits existierende taxonomische Literatur über Chamäleons zu einer Datenquelle für Studien werden kann, die Fragen zu ihrer Evolution genauer behandeln. Der taxonomische Fortschritt der Beschreibung der Herpetofauna auf Madagaskar schreitet zügig voran. Wenn wir uns dem Abschluss des Biodiversitätsinventars der Insel nähern, bekommen wir auch wertvolle Einblicke in die Beziehungen zwischen seiner Fauna, ihrer Ökologie, ihrer Evolution und ihrer Herkunft und erfahren auch, welche Arten geschützt werden müssen und, möglicherweise, wie dies am besten zu tun ist. Die Entschlüsselung dieses Puzzles wird weitreichende Auswirkungen haben, nicht nur in Bezug auf Madagaskar selber, sondern auch für die Art- und Gemeinschaftsbildung auf Kontinenten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: systematics, evolution, reptile, amphibian, herpetology, zoology, taxonomy
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Haszprunar, Gerhard