Konvergeret morfologi som følge af genkonvergens • Elena Naimark • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Biologi, Evolution

Konvergent morfologi som følge af genkonvergens

Fig. 1. Stor hestesko (til venstre) og bottlenose delfin er hovedpersonerne i artiklen i natur, de er forenet af evnen til ekkolokation, og som det viste sig, er lignende gener, der tjener ekkolokation. Billeder fra www.kto-takoy.ru og www.mooreadolphin.com

Brug af eksemplet om at sammenligne de genomiske sekvenser af delfiner og flagermus – pattedyr, der er i stand til ekkolokation – europæiske forskere har fundet ud af de genetiske måder konvergerende evolutioner. Konvergens, det vil sige udseendet af lignende træk i ikke-relaterede organismer, blev betragtet som resultatet af udviklingen af ​​forskellige sæt gener: sandsynligheden for udseendet af lignende mutationer i lignende gener virker for ubetydelig. Men som det viste sig, er echolocation et komplekst adaptivt træk – i delfiner og flagermus var det netop på grund af lignende mutationer i lignende gener. Dette ændrer vores forståelse af konvergens genetiske essens og viser også, at resultaterne af at anvende molekylære metoder til fylogenetiske rekonstruktioner bør behandles med forsigtighed.

Konvergent udvikling er udseendet af lignende tegn i uafhængige grupper af organismer. Konvergente egenskaber overvejesde er dannet i lignende miljøer og tjener til at udføre lignende funktioner: nedgravende lemmer til gravede indbyggere, flyvefløjter, blindhed blandt dem i dybt mørke, leve med særlig omsorgsfulde forældre osv. Konvergente symptomer komplicerer alvorligt evolutionistens vanskelige liv derfor at det i hvert tilfælde er nødvendigt at afgøre, om ligheden er en indikation af en fælles oprindelse eller af generelle tilpasningsbehov eller begge dele.

Det antages, at konvergerende træk dannes på grund af mutationer i ikke-relaterede (ikke-orthologe) gener eller på grund af forskellige mutationer i orthologe gener. Og der er mange bekræftelser af dette (se: Lugtesansen i insekter og pattedyr er baseret på forskellige molekylære mekanismer, Elements, 26. januar, 2006 og Læs genet af selaginella, månens repræsentant, Elements, 13 maj 2011). Det er faktisk svært at forestille sig en tilfældig identisk ændring i identiske gener, når disse gener og nukleotider er hundredtusinder. Genetikernes indsats i forhold til konvergens – denne vildledende stunt af naturen – er primært fokuseret på at finde alternative mekanismer til opbygning af samme træk.

Men en anden installation er mulig: Der er ikke så mange realiserbare måder at opbygge en funktion på, især hvis funktionen er kompleks. Ja, der er mange mulige stier, men der er ikke mange tilladelige og kompatible med livet (se: Evolutionens udviklingsveje er forudbestemt på molekylært niveau, "Elements", 12. april 2006). Sådan redegjorde genetik fra flere europæiske institutioner (University of London (England), University of Turin (Italien) og den europæiske BGI-afdeling i København (Danmark) sammen for at løse det centrale spørgsmål om konvergent udvikling: "I forskellige gener og på forskellige måder eller i lignende gener på lignende måder? "

Genetik henvendte sig til ekkolokation – et komplekst kompleks træk, der findes i forskellige ikke-relaterede dyr: i flagermus og delfiner (ekkolokation er også i insekter, men her blev de ikke taget i betragtning). Det er klart, at flagermus og delfiner ikke er for tætte pårørende. Ja, og flagermus, der er i stand til ekkolokation, blandet på stamtavle med stipendiat ikke-echolocation. Det blev besluttet at sammenligne den genetiske basis af dette komplekse træk i flagermus og flaskefugle i håb om at identificere de genetiske ruter af dens dannelse.Er de ens eller forskellige? Til kontrol var data tilgængelige på genomerne af flagermus, der ikke er i stand til ekkolokation, såvel som genomerne af andre pattedyr, der er mere relaterede til delfiner end flagermus.

Til denne opgave blev 2326 orthologiske kodende gener identificeret i 21 pattedyrsarter. Af disse arter har 5 fanget ekkolokation: flaskefiskede delfin og 4 arter af flagermus. Flagermusene i dette sæt er opdelt i to ikke-relaterede skatte. To arter tilhører underordnet Yinpterochiroptera; At dømme efter det rekonstruerede molekylært træ af flagermus, arter, der er i stand til og ikke i stand til ekkolokation, er inkluderet i denne underordre. To andre sonararter hører til underordnet Yangochiroptera.

Fig. 2. Baseret på molekylær lighed anvendes genetræet af genomerne af 21 pattedyr anvendt i arbejdet. Ordning af artiklen under drøftelse i natur

Antag at vi konstruerer forskellige fylogenetiske træer (se diagrammer i figur 2 og 3), baseret på forskellige hypoteser om oprindelsen af ​​ekkolokation. Et træ vil afspejle den overordnede molekylære lighed – dette er den accepterede tilgang. Den anden vil gøre det muligt at forene alle monopolfladder i en monofyletisk klap, sprede dem ud med medbrødre og selvfølgelig delfiner.Det tredje træ vil generelt forene alle dyr af sonar – og flagermus og delfiner, der adskiller dem fra andre ikke-sonar. Uanset hvor absurd de to sidste træer kan virke for os, kan vi analysere dem på samme måde som de træer, der synes acceptable for os. Desuden vil det i løbet af beregningen af ​​individuelle sekvenser af specifikke gener vise sig, at disse latterlige træer er meget gode. Efter at have identificeret et sæt af sådanne gener, vil det være muligt med sikkerhed at konkludere, at konvergent evolution har arbejdet på disse steder. Dette er præcis, hvad genetik begrundede, idet beregningerne af ligheden mellem 2326 orthologiske kodende gener blev taget i betragtning.

Fig. 3. Kunstige slægtskabsordninger for arter med ekkolokation. ovenfra ekkolokalisering flagermus er kombineret i en gruppe, der er imod arter, der ikke har ekkolokation, og delfiner med andre pattedyr adskilles i en separat linje. nedefra arter med ekkolokation (flagermus og delfiner) kombineres i en enkelt linje, mens andre pattedyr danner søsterklade. Ordninger af artiklen under drøftelse i natur

Hvert af de orthologe gener blev sammenlignet med hver og for hver det blev evalueret hvilke af de fylogenetiske ordninger der er mere egnede til ham, det vil sige for hvilket træ den genetiske lighed skulle vise sig at værecirkalshim.Der var mange loci i fem ekkolocatoriske arter, for hvilke "absurde" fylogenetiske træer er mere egnede (824 loci for det andet træ og 392 for det tredje). Med andre ord var det med disse loci, at konvergerende evolution arbejdede.

Disse symptomer manifesteres tydeligst i gener forbundet med hørelse eller døvhed. Konvergens har for eksempel påvirket de gener, som er ansvarlige for dannelsen af ​​cochlea, såvel som dem, som koder udviklingen af ​​hårceller i det indre øre. Et klart statistisk signal om konvergent udvikling findes også i gener, som på en eller anden måde er forbundet med syn. Dette er næppe overraskende: delfiner og flagermus er tilpasset lavt lys. Derfor blev de molekylære og regulatoriske systemer af visuel opfattelse justeret i overensstemmelse hermed. Imidlertid forbliver funktionerne i mange gener med et klart konvergent signal ukendt.

En vigtig del af arbejdet var verifikationen af ​​de "konvergente" geners selektionsvirksomhed: var konvergensneutral eller dannet som følge af kørselsvalg. Dette spørgsmål blev løst på den klassiske måde – ved at sammenligne antallet af synonyme og ikke-synonyme substitutioner (se Nucleotidsubstitutionshastighed).Det viste sig, at antallet af ikke-synonyme substitutioner oversteg antallet af synonymer; I tilfælde af ekkolokation er der derfor ikke tale om neutral drift, men med motivvalg, der understøtter dannelsen af ​​adaptive figurer.

Denne undersøgelse er vigtig at bemærke af to grunde. For det første er læsningen af ​​de komplette genomer blevet en rutine og tilsyneladende en billig virksomhed. Den kendsgerning, at forfatterne af dette værk har læst og dechifreret genomerne af fire typer flagermus, ved hjælp af udstyret og den nyeste teknologi fra Illumina, rapporteres i forbifarten i den metodiske del af arbejdet. Forfatterne var godt klar over, at tiden var gået for entusiasmen om selve muligheden for at læse genomiske sekvenser og endda den høje nøjagtighed af deres fortolkning. Det er tid til resultater, der vrimlede i perspektiv over disse lækkerier.

Den anden grund vedrører mere den biologiske metode, nemlig fylogeniets metoder. Alderen af ​​morfologisk taksonomi blev erstattet af æra med molekylær fylogenetik. Hvis tidligere blev stamtavletræerne rekonstrueret på basis af morfologiske ligheder og forskelle og / eller på basis af morfologiske homologier, er det nu sædvanligt at fokusere på antallet af ligheder mellem aminosyre eller nukleotidsekvenser.Valget til fordel for molekylære fylogenetika blev lavet ikke mindst på grund af vanskelighederne ved at skelne mellem konvergenser og fælles oprindelse.

I molekylær fylogenetik blev den eksterne konvergente lighed ikke anset for at være af stor betydning, da genetiske ændringer for at opnå det samme morfologiske resultat altid er forskellige. Derfor kunne molekylære fylogenetik ikke bekymre sig meget om, at i stedet for slægtskab ville der opstå en økologisk fællesitet.

Men som det viser sig nu, er det ikke sådan. Hvis vores genetiker ikke var meget heldig, og hvis han tog disse 824 lignende loci eller endnu værre, 390 loci, der var ens i vores tredje træ, ville han få absurd fylogeni til at bygge sit echolocation-træ. Og ville have ret til at forsvare dem, og henvise til et godt og pålideligt statistisk signal! Ca. det samme som om morfologen forsvarede den fælles oprindelse af delfiner og flagermus, der tiltrækker en fantastisk ekkolokation. Og det er præcis, hvad molekylære fylogenetik forsøgte at komme væk fra, men kun værre, for ikke alle vil beslutte at argumentere med statistikker. Så dette arbejde viser igenHver metode har sine egne begrænsninger og anvendelsesmuligheder. Molekylær fylogenetik er fortsat at blive bestemt.

Kilde: Joe Parker, Georgien Tsagkogeorga, James A. Cotton, Yuan Liu, Paolo Provero, Elia Stupka, Stephen J. Rossiter. Echolocating pattedyrs genoom-brede underskrifter af konvergent udvikling // natur. 502, s. 228-231. Doi: 10.1038 / nature12511.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: