Badanie żywych skamieniałości ujawnia kluczowe spostrzeżenia genetyczne

W 1859 roku Karol Darwin ukuł termin „żywe skamieliny”, aby opisać organizmy wykazujące niewielką różnorodność gatunkową lub różnice fizyczne w stosunku do swoich przodków w zapisie kopalnym. W nowym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Yale dostarczają pierwszych dowodów na mechanizm biologiczny wyjaśniający sposób, w jaki żywe skamieniałości pojawiają się w przyrodzie.

[T]Po raz pierwszy nauka wykazała, że ​​dana linia genetyczna w zasadniczym aspekcie swojej biologii spełnia kryteria żywej skamieliny.

Thomasa J. Neera

Badanie opublikowane w czasopiśmie Evolution pokazuje, że belona – starożytna grupa ryb promieniowopłetwych, która pasuje do definicji żywej skamieniałości – charakteryzuje się najwolniejszym tempem ewolucji molekularnej spośród wszystkich kręgowców szczękowych, co oznacza, że ​​ich genom zmienia się wolniej niż u kręgowców szczękowych. kręgowców. Od innych zwierząt.

Łącząc to odkrycie z procesem hybrydyzacji – kiedy dwa różne gatunki dają zdolne do życia potomstwo – sąsiadujących gatunków na wolności, które ostatnio miały wspólnego przodka w epoce dinozaurów, naukowcy wykazali, że powolne tempo ewolucji ich genomów napędza niskie gatunki w zaniku. różnorodność.

Thomas J. powiedział: „Wykazaliśmy, że powolne tempo ewolucji molekularnej garów hamuje tempo ich rozmnażania” – powiedział Nir, profesor ekologii i biologii ewolucyjnej w College of Arts and Sciences na Uniwersytecie Yale oraz główny autor artykułu. „Zasadniczo jest to pierwszy raz, kiedy nauka wykazała, że ​​dana linia genetyczna w zasadniczym aspekcie swojej biologii spełnia kryteria żywej skamieliny”.

Naukowcy spekulują, że garstki posiadają niezwykle potężny aparat naprawy DNA, umożliwiający im korygowanie mutacji somatycznych i zarodkowych – zmian w DNA zachodzących przed ciążą i po niej – skuteczniej niż większość innych kręgowców.

[The finding] Pomoże nam to nie tylko lepiej zrozumieć różnorodność biologiczną planety, ale pewnego dnia może zostać zastosowane w badaniach medycznych i poprawie zdrowia ludzkiego.

pościg D. Brownsteina

Jeśli te odkrycia zostaną potwierdzone, mogą mieć poważne konsekwencje dla zdrowia ludzkiego, powiedział Nair, kustosz oceanografii w Bingham w Yale Peabody Museum.

„Większość nowotworów to mutacje somatyczne, które świadczą o uszkodzeniu mechanizmów naprawy DNA danej osoby” – powiedział. „Jeśli inne badanie wykaże, że mechanizmy naprawy DNA są tak skuteczne, i odkryje, co je powoduje, będziemy mogli zacząć myśleć o potencjalnych zastosowaniach dla zdrowia ludzkiego”.

Siedem żywych gatunków wawrzynu jest prawie strukturalnie podobnych do najstarszych kopalnych gatunków wawrzynu z okresu jurajskiego, około 150 milionów lat temu. Jedna z dwóch głównych żywych linii gar zaczęła pojawiać się w zapisie kopalnym 100 milionów lat temu, w środkowej kredzie.

Analizując zbiór danych składający się z 1105 eksonów – regionu kodującego DNA – z próbki 471 gatunków kręgowców szczękowych, naukowcy odkryli, że DNA gar stale ewoluuje aż o trzy rzędy wielkości wolniej niż w przypadku jakiejkolwiek innej głównej grupy kręgowców. (Odkryli także podobne tempo spowolnienia u jesiotra i włośnika, dwóch innych przykładów żywych skamieniałości, ale mają mocniejsze dane dotyczące gar.)

Następnie naukowcy wykazali, że powolne tempo ewolucji molekularnej koreluje z wolnym tempem specjacji w garach, analizując przykłady hybrydyzacji między dwoma odrębnymi gatunkami gar w systemach rzek Brazos i Trinity w Teksasie.

W miarę wzrostu współczynnika mutacji genetycznych różne gatunki muszą mieć wspólnego młodszego przodka, aby się rozmnażać, wyjaśnił Chase D. Brownstein, absolwent Wydziału Ekologii i Biologii Ewolucyjnej Yale oraz główny autor badania.

„Im wolniejsza mutacja genomu gatunku, tym większe prawdopodobieństwo, że będzie on w stanie krzyżować się z odrębnym gatunkiem, z którego był genetycznie izolowany przez długi okres czasu” – powiedział Brownstein, który rozpoczął współpracę z Nearem nad projektem materiał. Projekt badawczy w ramach studiów licencjackich na Uniwersytecie Yale.

Naukowcy odkryli, że dwa gatunki, aligator gar i długonosy gar, które mają wspólnego przodka co najmniej 100 milionów lat temu, nadal wytwarzają żywotne i płodne hybrydy. Jest to najstarszy zidentyfikowany podział rodzicielski wśród wszystkich zwierząt, roślin i grzybów wytwarzających płodne, zdolne do życia hybrydy, wyprzedzający poprzedniego rekordzistę – dwa gatunki paproci – o około 60 milionów lat.

Odkrycie to, w połączeniu z nakładającą się morfologią lub strukturą fizyczną gatunków hybrydowych i innych gatunków wawrzynowych, sugeruje, że powolne tempo mutacji genetycznych wawrzynu tworzy barierę zarówno dla gatunku, jak i ewolucji nowych obserwowalnych cech – twierdzą naukowcy.

„Nasz artykuł pokazuje, że żywe skamieliny to nie tylko dziwaczne przypadki historyczne, ale dostarczają fundamentalnych dowodów na proces ewolucyjny w przyrodzie” – powiedział Brownstein. „Pokazuje, że analiza wzorców w historii ewolucji żywych skamieniałości może mieć konsekwencje dla naszej historii. Nie tylko pomaga nam lepiej zrozumieć różnorodność biologiczną planety, ale może pewnego dnia zostać zastosowana do badań medycznych i poprawy zdrowia ludzkiego”.

Nir i Brownstein są współautorami badania wraz z Daeminem Kimem i Oliverem Orrem z Wydziału Ekologii i Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu Yale. Daniel J. McGuigan z Uniwersytetu w Buffalo; Liandong Yang z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie; Salomon R. David z Uniwersytetu w Minnesocie; i Brian Kresser z Uniwersytetu Południowego Mississippi.