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一个进化的图标如何失去了它的飞行

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1835年,加拉帕戈斯群岛塑造了一位名叫查尔斯·达尔文的年轻英国博物学家的想法,并且帮助激发了他震惊世界的进化论。出于这个原因,这些岛屿已成为生物学家的圣地,他们在那里旅行,看到与达尔文相同的古怪生物。

加利福尼亚大学洛杉矶分校的Leonid Kruglyak在2012年参观了加拉帕戈斯群岛,他说:“我喜欢一般的野生动物,但其中一些生物已经成为进化生物学的象征。”着名的雀科,适应和各种形状的喙,尤其是着名的,但克鲁格利亚克发现他们不知所措。他更喜欢那些不会飞的鸬鹚。

世界上有大约40种这些鸟类,除了其中一只鸟以外,它们都可以飞行。唯一的例外是生活在加拉帕戈斯群岛上,可以在伊莎贝拉岛和费南迪纳群岛的海岸上看到,在阳光下晒干它萎缩而tat wings的翅膀。与其他鸬鹚相比,这个大约大60%。它的翅膀更小,羽毛更短。它的胸部肌肉通常能够扑动扑动,它的体积较小,锚定这些肌肉的胸骨部分更为粗糙。

Kruglyak想知道为什么这只鸟不能到达天空。具体来说,作为一名遗传学家,他想知道基因改变是如何发生的。当他回到他的实验室时,他找到一个研究小组,收集了223个不能飞行的鸬鹚的血液样本,几乎占濒危总人口的四分之一。他和他自己的团队使用这些样本对鸬鹚的基因组进行测序,然后将其DNA与其他三种鸬鹚的DNA进行比较,寻找那些不能飞行的突变,这些突变可能以重要的方式改变其基因。

他们发现了一长串受影响的基因。其中许多人在人类突变时会扭曲四肢的生长,导致额外的手指,数字缺失以及其他类似情况。它们中的一些还负责一组称为纤毛病的罕见遗传疾病,其中细胞表面上的纤毛 - 小毛状结构 - 不会正确地发育。细胞利用纤毛交换信号并协调其生长。如果这些毛发形成不正确,许多身体部位不会以通常的方式发展。特别是有些纤毛病患者长着四肢短小的肋骨 - 与不飞行的鸬鹚的发育不良的小翅膀和小胸骨相映成趣。

所有这些都是间接的。它表明,但没有证实,鸬鹚的不能飞行的翅膀可能是由一种良性的纤毛病引起的。为了做出更有力的证据,Kruglyak团队成员Alejandro Burga将注意力集中在几个基因上。其中之一 - IFT122 - 控制整个动物界的纤毛发育。加拉帕戈斯鸬鹚在基因的一部分中具有单一突变,其在其他物种中总是相同的。

理想的实验是改变另一种鸬鹚的同一基因,看它们是否发育较短的翅膀。但是鸬鹚在实验室中并不容易,所以Burga转向了一种更加适合的动物:小蛔虫, C.elegans 。他使用称为CRISPR的基因编辑技术来改变蠕虫版本 IFT122 以匹配鸬鹚。果然,它的纤毛停止正常工作。

Burga还专注于另一个基因,称为 CUX1 ,它控制许多其他纤毛构建基因的活性。它在为我们的骨骼奠定基础的软骨制造细胞中尤其活跃。在这里,鸬鹚也有一个不寻常的变化 - 它缺少几乎所有其他背部骨骼动物中存在的12个字母的DNA片段。当Burga从鼠标版本 CUX1 中删除同样的伸展时,软骨细胞分裂更慢。

所有这些实验都绘制出一致的图像。通过在几个基因中构建突变,加拉帕戈斯鸬鹚的祖先改变了纤毛的运作方式,从而改变了构成其骨架的细胞的生长。结果:更短的翅膀,更小的胸骨和飞行损失。

尽管如此,还是有很多缺失的细节。如 来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Kimberly Cooper在一篇发表Kruglyak研究结果的文章中指出,纤毛在整个身体中扮演着重要角色,而纤毛病患者的肾脏,视力和神经系统都有问题。加拉帕戈斯鸬鹚是如何逃脱这种命运的?它的突变是否会影响四肢纤毛?还是它在其他器官中形成了保障?或者“也许他们只是较弱的突变,这会调整基因的功能,但不会像在人类纤毛病中那样破坏它们,”Kruglyak说。

蒙大拿大学的Natalie Wright说:“我很想看到其他不能飞的鸟类谱系的类似研究,因为我认为有许多不同的途径可以减少飞行损失,”蒙大拿大学的Natalie Wright说,他研究无飞行性的演变。她指出,鸬鹚潜水的食物,较短的翅膀使他们不那么浮力和更流线化的水下。大多数物种只能收缩他们的翅膀,而不会破坏他们的飞行能力。但是当鸬鹚登陆加拉帕戈斯时,他们发现了一个全年食物和零食动物的天堂。他们不需要逃离或迁徙,所以他们可以通过缩小翅膀完全适应潜水生活。

但其他岛屿鸟类,如铁轨,鸽子,鹦鹉,猫头鹰和鸣禽等,都不是潜水员,不会受益于较短的翅膀。赖特怀疑他们为了效率原因而失去了航程:增加小型飞行肌肉需要更少的能量。 “也许涉及不同的基因,”她建议。

十年前,如果莱特是正确的,那么看起来似乎不合情理。但是Kruglyak的工作表明遗传学已经变得多么强大,以及今天的科学家能够多快地发现有趣动物的进化秘密。 “五年之内,我从看到这个不寻常的野生动物到做其基因组以获得关于发生的事情的很多线索,”他说。

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