К началу 2000-х годов новое исследование с использованием генетических инструментов перевернуло эту историю и вместо этого указывало на идею о том, что на протяжении истории безветрие возникало много раз. Однако без ответа остались вопросы о том, задействовала ли эволюция одинаковые или разные генетические рычаги в каждой из этих независимых птичьих линий.
Команда исследователей из Гарварда считает, что теперь они могут частично ответить на этот вопрос.
На основе анализа геномов более десятка нелетающих птиц, в том числе вымершего моа, группа исследователей во главе с Тимом Сактоном, директором по биоинформатике Группы информатики ФАС и профессором органической и эволюционной биологии Скоттом Эдвардсом, обнаружила, что в то время как разные виды демонстрируют большое разнообразие частей своего генома, кодирующих белок, они, по-видимому, обращаются к одним и тем же регуляторным путям при развитии потери полета. Исследование описано в статье от 5 апреля, опубликованной в журнале Science.
Помимо Сактона и Эдварда, соавторами исследования выступили профессор статистики и профессор биостатистики Джун Лю, научный сотрудник по статистике Чжируи Ху, Элисон Клотье, научный сотрудник, работающий в лаборатории Эдвардса, и команды из Новой Зеландии. Техасский университет в Остине и Королевский музей Онтарио.
«В эволюционной биологии существует долгая история сходящихся признаков – идея о том, что существует независимая эволюция к одному и тому же фенотипу», – сказал Сактон. "Нас интересовало, как это происходит?
«У всех этих птиц схожее строение тела», – продолжил он. "У них уменьшились передние конечности в разной степени, и у всех есть потеря" киля "в грудине, который скрепляет летательные мышцы. Это сводится к набору конвергентных морфологических изменений, которые привели к подобному строению тела у всех этих видов."
Чтобы понять, что привело к этим изменениям, Сактон, Эдвардс и его коллеги обратились к геномам самих птиц.
«Мы хотели сравнить не только части генома, которые кодируют белки, но и части генома, которые регулируют, когда эти белки экспрессируются», – сказал Сактон, для различных видов, исследованных для исследования. Чтобы идентифицировать эти регионы, команда использовала процесс, который включал выравнивание геномов более трех десятков видов птиц – как летающих, так и нелетающих, – а затем выявление регионов, которые показали относительно мало различий в их генетической последовательности.
Эти места в геноме, которые являются консервативными, но не являются частью белков, скорее всего, будут выполнять регуляторную функцию.
«Мы работали с сотрудниками отдела статистики здесь, в Гарварде, над разработкой нового статистического метода, который позволил нам задать вопрос для каждого из этих регулирующих элементов, сколько из этих видов демонстрируют одинаковый образец дивергенции, предполагая, что они изменили одни и те же регулирующие элементы, "Сактон сказал. «И мы обнаружили, что, хотя генов, кодирующих белок, не так много, они существуют для этих регуляторных областей, что позволяет предположить, что существуют общие пути развития, на которые постоянно нацелены каждый раз, когда этот фенотип эволюционирует."
В то время как гены, кодирующие белок, по-видимому, отвечают за адаптацию диеты, функции пера и окружающей среды, сказал Сактон, регуляторные области, по-видимому, играют ключевую роль в изменениях масштабирования тела, которые сопровождаются потерей полета.
«Что интересного в морфологических изменениях…они должны сохранить свои задние конечности ", – сказал он. "Есть много способов остановить формирование конечности, но уменьшить переднюю конечность без изменения задней конечности сложнее."
И в некотором смысле, сказал Сактон, эта история имеет смысл – как ни странно, но, вероятно, легче не сформировать конечность, чем сжать ее.
«Если задуматься, есть много способов что-то сломать», – сказал он. "На раннем этапе развития конечностей есть несколько этапов, на которых, если белок не экспрессируется, он просто отключит систему, и конечность не появится.
«Но на самом деле это сложный сдвиг в масштабировании тела», – продолжил он. "Нельзя волей-неволей вырастить конечности до разных размеров, поэтому…тот факт, что важно поддерживать работоспособность задних конечностей, ограничивает систему, и, возможно, именно поэтому мы видим этот конвергентный паттерн."
Чтобы доказать эту теорию, команда пометила определенные регуляторные области в геномах птиц геном, который будет производить зеленый флуоресцентный белок, и обнаружила, что – у нелетающих видов, где те области, где, как считается, претерпели функциональные изменения, – маркерный ген был фактически выключен.
"Чтобы конечность начала расти, должно произойти множество вещей…поэтому, если вы можете отключить энхансер и затруднить экспрессию этих белков, вы можете задержать этот процесс », – сказал Сактон. "Это говорит о том, что эти области, возможно, потеряли некоторые важные сайты связывания, которые не позволяют им действовать как энхансер."
В конце концов, по словам Сактона, все это сводится к тому, что у птиц есть ограниченное количество вариантов, которыми они могут воспользоваться, когда дело доходит до потери полета, и поэтому различные виды снова и снова попадают в один и тот же колодец.
«Это вывод, который мы сделали бы из этой работы», – сказал он. "Существует ограниченное количество способов добиться такого изменения масштабирования, и они сосредоточены на регуляции раннего развития конечностей."
В исследовании также подчеркивается сила междисциплинарного подхода, принятого Сактоном, Эдвардсом и коллегами.
«Одна из вещей, которая была захватывающей в этом проекте, лично для меня, заключалась в том, как мы смогли использовать вычислительный опыт в группе информатики для решения этого действительно важного вопроса в эволюционной биологии.
Это соединение вычислительной, статистической генетики с перспективами естествознания важно для получения полной картины того, как эволюционировали эти птицы."
«Удивительно, что можно сделать с командой исследователей с разнообразными навыками», – добавил Эдвардс. «В нашей группе были биологи развития, компьютерные биологи, морфологи, статистики, популяционные генетики и, конечно же, орнитологи. Каждый из них предлагает свою точку зрения, и результаты, я думаю, потрясающие."
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом и Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады.